ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. 1.- INTRODUCCIÓN Las generadores síncronos, son los encargados de transformar la energía mecánica en energía eléctrica. Estas máquinas están constituidas de circuitos magnéticos (núcleos del estator y rotor) y circuitos eléctricos (devanado trifásico estatórico y devanado de campo Recibe el nombre de máquina síncrona a todo conversor de energía mecánica – eléctrica. Están constituidas de dos devanados: o El primero se conecta a la red eléctrica a frecuencia fija Ws (corriente alterna). o El segundo es conectado al circuito de excitación (corriente continua). Esta máquina presenta la siguiente particularidad: Frecuencia mecánica = Frecuencia eléctrica Fuente de Energía Mecánica Térmica Solar Eólica Energía eléctrica Figura N° 1.1 Configuración de un sistema de generación 2.- CLASIFICACION.Según el tipo de excitación se pueden clasificar en dos grandes grupos: Pequeña potencia (< 20 KW).- Tienen el devanado de excitación en el estator (polos salientes) el mismo que trabaja con DC. El devanado trifásico se ubica en el rotor (polos lizos) trabaja con AC. La energía alterna es conectada hacia la carga mediante un juego de anillos rozantes y un juego de escobillas (este modelo presenta múltiples problemas y desventajas). Gran potencia (> 20 KW).- Tiene el devanado de excitación en el rotor (polos salientes), el cual trabajan con DC. El devanado trifásico se ubica en el estator (polos MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. lizos) el cual trabaja con AC. La energía alterna es conectada en forma directa a la carga, esto constituye una gran ventaja frente al primer tipo. Según la velocidad de los rotores se pueden clasificar en: Rápidos.- En turbinas de gas ó vapor que desarrollan velocidades de 2 y 4 polos (velocidades de 1800 y 3600 RPM). Lentos.- Turbinas hidráulicas 60 a 720 RPM. Y motores diesel y combustión interna 720 < RPM > 200. Según el tipo de rotor se pueden clasificar en: Rotor cilíndrico.- Se usa en máquinas de alta velocidad (2 a 4 polos). Para lo cual se utilizan turbinas de gas o vapor. (Centrales térmicas). Rotor liso Líneas de campo Rotor de polos salientes Sentido de las corrientes por el rotor S N N N S S Elevadas velocidades de giro: turboalternadores Bajas velocidades de giro hidrogeneradores ROTOR CILINDRICO Figura N° 1.2 Tipo de rotores utilizados en máquinas síncronas. Figura N° 1.3 Máquinas síncronas de polos cilíndricos (lisos). MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. ROTOR DE POLOS SALIENTES Rotor de polos salientes.- Se usa en máquinas de baja velocidad (gran número de polos). Para lo cual se utilizan turbinas hidráulicas (centrales hidroeléctricas) Figura N° 1.4 Rotor de polos salientes y estator trifásico convencional 3.- CONSTITUCIÓN ELECTROMECÁNICA CONSTITUCION ELECTROMECANICA DE LAS MS ING. HUBER MURILLO M Figura N° 1.5 Constitución electromecánica de los generadores síncronos MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. 3.1.- ESTATOR PRINCIPAL El paquete estatórico, que por lo general es de polos lisos, es instalado en las nervaduras de su carcaza de acero calandrado. En las ranuras del paquete magnético estatórico se hallan convenientemente distribuido los arrollamientos trifásicos los que serán llevados a la caja de conexiones através de conductores aislados flexibles clase H. Así mismo todos los materiales aislantes, alambres esmaltados y/o platinas forradas son como mínimo de clase de aislamiento F. Después del proceso de barnizado, las cabezas de bobinas son fortalecidas con resinas con clase de aislamiento F para que posean una mejor resistencia mecánica y puedan resistir las fuertes corrientes y las vibraciones. Los alternadores trifásicos modernos no tienen escobillas, y son alimentados através de una excitatríz: estator (polos salientes) y rotor (polos lisos). La tensión de salida es mantenida mediante el AVR que constantemente supervisa la tensión del alternador y alimenta al campo de la excitatriz principal con la corriente necesaria para generar la tensión nominal. Ventajas del sistema: . Menor costo de mantenimiento. No hay interferencias por contacto. Menor interferencia debido al AVR transistorizada y tiristorizada. AVR es de menor corriente. . . . El Desventajas del sistema: . El generador síncrono es más caro (costo de adquisición). . El tiempo de respuesta es mayor debido a la excitatriz y AVR. Es necesario utilizar un PMG. . 3.2.- ROTOR PRINCIPAL Es la parte móvil de la máquina donde se ubican los arrollamientos del bobinado de campo (inductor), es de polos salientes y lisos (según sea el tipo de generador); por lo tanto esta conformado por zapatas cuyos paquetes magnéticos están formados por hierro silicoso con alto contenido de silicio (entre 4 a 6 % de silicio). Este bobinado es alimentado con corriente continua que procede de la excitatriz, los mismos que reciben una tensión bifásica ó trifásica del estator através del AVR. El conjunto de barras de cada polo serán unidas con las barras del polo inmediato formándose en su totalidad una jaula de ardilla. Esta jaula forma el circuito de amortiguamiento cuyo trabajo es compensar las cargas transitorias puestas en paralelo y corrientes de cortocircuito. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 CONSTITUCION ELECTROMECANICA DE LOS ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. GENERADORES SINCRONOS INDUCTIVOS EJE VENTILADOR EXCITATRIZ ESTATOR PRINCIPAL PUENT E RECTIFICADOR ESTATOR + ROTOR PRINCIPAL ROTOR PMG ESTATOR ESTATOR PRINCIPAL L1 HACIA LA CARGA L1 L2 L3 L2 L3 + - + - AVR Figura N° 1.6.- Constitución electromecánica de los Generadores síncronos CONSTITUCION ELECTROMECANICA DE LAS MS ING. HUBER MURILLO M 3.3.- CIRCUITO DE AMORTIGUAMIENTO Está constituido por un conjunto de barras axiales de cobre, latón ó aluminio, cortocircuitadas en sus extremos por anillos del mismo material; conformando de esta manera una jaula de ardilla fraccionada. Este circuito se halla enclavado en las zapatas polares del rotor principal de los alternadores, y la cantidad de barras depende de la potencia de las máquinas y de su polaridad y/o velocidad nominal de operación. El objetivo de este circuito es compensar las sobre corrientes transitorias que las cargas puedan presentar, proporcionándole muy buena estabilidad al generador. La finalidad de este circuito es reducir las oscilaciones de la máquina síncrona, provocadas por las cargas externas, asincronismos graves en la conexión en paralelo y variaciones bruscas de carga. Siempre que se tenga un movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético inducido (debido a las cargas transitorias) aparecerán tensiones inducidas en los arrollamientos del campo pudiendo dañar los diodos girantes. En el circuito amortiguador también surgirá una corriente inducida produciendo un torque cuya actuación favorece a mantener a esta máquina en sincronismo reduciendo sensiblemente las oscilaciones y sobretensiones del rotor. El efecto del circuito amortiguador se hace presente en la disminución de la intensidad de las armónicas cuando la carga de los alternadores son deformantes. 3.4.- EXCITATRIZ INDUCTIVA Encargada de recibir corriente continua del AVR y entregar AC al puente rectificador giratorio; y esta conformado por: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME III CONSTITUCION 01 CONSTITUCIONELECTRICA ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORESM.S. SINCRONOS INDUCTIVOS EXCITATRIZ ESTATOR ROTOR PUENTE RECTIFICADOR PRINCIPAL ROTOR ESTATOR HACIA LA CARGA L1 Fase r FASE R L2 Fase s FASE S Fase t FASE T L3 MASA MOVIL + - L3 L2 AVR L1 CONSTITUCION ELECTROMECANICA DE LAS MS ING. HUBER MURILLO M Figura N° 1.7.- Esquema de un generador síncrono moderno inductivo Estator de la excitatriz.- La excitatriz principal es un circuito de polos salientes que está alimentada por tensión continua que entrega el AVR en sus terminales de salida; la función de este inductor es crear las líneas de campo magnético estacionario que deben ser cortados por los conductores del rotor de la excitatriz para generar corriente trifásica. Es de polos salientes y está instalada fijamente junto a la carcaza del estator principal de la máquina. En sus polos salientes se ubican los arrollamientos de los bobinados de excitación (inductor), que son conectadas en serie y sus terminales de este circuito son llevados a la caja de conexiones (tablero de bornes) para luego ser conectados al AVR. Todos los materiales conductores aislados y aislantes tienen una clase de aislamiento F. Rotor de la excitatriz.- El rotor de la excitatriz está instalado sobre el eje del rotor principal. Su paquete magnético es laminado y en sus ranuras se distribuye el bobinado trifásico conectado generalmente en estrella. El punto común de este tipo de conexión (estrella) no es utilizado pues trabaja con la tensión de línea. De los terminales de la conexión estrella salen los cables flexibles para ser conectados al puente rectificador giratorio. De este puente salen dos cables positivo y negativo que alimentaal estator principal del generador síncrono. Diodos rectificadores giratorios.- Están ubicados en el eje del rotor principal entre el rotor de la excitatriz y el rotor principal del generador. Los diodos rectificadores que conforman el puente de onda completa trifásico poseen disipadores de aluminio. Para facilitar el montaje se utiliza un porta diodos (material aislante) que se fija en el eje de la máquina. 3.5.- PMG (MAGNETIC PERMANET GENERATOR) Es un pequeño generador de corriente continua cuyo campo es un imán permanente y el circuito de armadura está compuesto por un bobinado convenientemente conectado a su colector por donde se extrae la corriente continua vía un par de escobillas (generador de imán MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. permanente). Esta pequeña fuente de energía es conectada al regulador automático de tensión y su finalidad es compensar los arranques de cargas pesadas y/o neutralizar los transitorios de fuertes cargas que se pueden presentar durante el ciclo de trabajo. Es instalada en el eje del rotor principal y en la parte externa del alternador L.O.A. (lado opuesto al acoplamiento). 3.6.- REGULADORES AUTOMÁTICOS Están conformados por dos etapas muy importantes que tienen la responsabilidad de entregarnos la tensión (AVR) y frecuencia (RAS) constantes en los bornes del generador. AVR ( regulador automático de tensión).- Los AVR trabajan con un margen de tolerancia que están directamente relacionados con las tensiones de referencia y del alternador (tensión de la carga), controlada por un amplificador operacional que trabaja en un régimen de enclavamiento. La alimentación del regulador es obtenida de los bornes del alternador ó por medio de un transformador de acoplamiento de donde proviene la tensión de valor real proporcional a la tensión de la máquina. Contiene un diodo zener que abastece al regulador de un valor de tensión de referencia. La diferencia de la tensión de referencia y la real es aplicada a un amplificador operacional, cuya alimentación influye en el comportamiento del control (estabilidad y precisión) y el tiempo de respuesta del regulador. El AVR esta constituido por: Dispositivo sensible a los cambios de tensión, circuito regulador inteligente (Amplificador Operacional), puente de tiristores de Graetz redundante, transformador de excitación estrella – delta, interruptor de campo CA ó CC, Tablero moderno IP55 e interfase IHM. Las funciones del AVR son: Cumplir con los criterios de respuesta especificados, cumplir con la flexibilidad en la operación, cumplir con la confiabilidad y fiabilidad del sistema, implementación de niveles de redundancia, tener la opción de trabajar con telemetría, estar totalmente integrado al SEP, tener una respuesta rápida para hacer frente a las contingencias del sistema. Además provee funciones de control y protección de: Tensión Flujo de la potencia reactiva. Mejorar la estabilidad del sistema Asegurar los límites permisibles de la máquinas síncronas - RAS ( regulador automático de velocidad).- Los RAS son los responsables de entregarnos en bornes del generador síncrono, una frecuencia cuyo valor debe estar dentro de lo establecido por las normas vigentes. Está constituido por: Dispositivo sensible a la velocidad, relé de velocidad o válvula piloto, y servomotor hidráulico. El RAS realiza las siguientes funciones: . Regula la velocidad mecánica del motor primo. Regula la potencia activa que produce el generador síncrono. Controla la posición del ángulo de ataque del chorro de agua. Controla los relés de: Potencia, posición y velocidad. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE . . . . Page 7 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Supervisión y monitoreo de fallas con otros sub-sistemas. Controla la referencia de velocidad y potencia. Controla laHM generación del registro de señales y eventos. Controla el rampeamientoSEP y toma carga. - de REGULADORES . AVR Y RAS . . VALVULA PRINCIPAL RAS FLUIDO TRAFOMIX RPMS TURBINA GENERADOR SINCRONO D Y PM TRAFOMIX 220 KV Y LINEA TX D LINEA DE SUBTX D CAUSE NATURAL AVR LINEA DE DISTRIB. D REGULADORES AUTOMATICOS DE TENSION Y Y USUARIO 220, 380 440 VOLT. ING. HUBER MURILLO M Figura N° 1.8.- Esquema general de un Sistema Eléctrico de Potencia 3.7.- MATERIALES FERROMAGNÉTICOS Se caracterizan porque delimitan y dirigen los campos magnéticos en trayectorias bien definidas, sus propiedades magnéticas y aplicación se dividen: Magnéticamente blandos y duros. Los materiales ferromagnéticos blandos (hierro, níquel, silicio y cobalto) utiliza-dos en máquinas eléctricas y transformadores, deben reunir un mínimo de condiciones elementales tal como: alta permeabilidad, baja fuerza coercitiva y pequeñas pérdidas por histérisis. En nuestro caso se utilizan los materiales magnéticamente blandos aleados: Hierro - carbono y Hierro - Silicio. Figura N° 1.9.- Materiales ferromagnéticos de acero al silicio. Aleaciones de Hierro - Carbono.- Utilizados en la década del 60, actualmente no se utiliza por sus reducidos parámetros magnéticos. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Aleaciones de Hierro - Silicio.- Es el material predilecto para las máquinas eléctricas y transformadores, pues nos permite reducir las pérdidas en el hierro a causa de que: El silicio reacciona favorablemente con las impurezas contenidas en el hierro, aumentando la permeabilidad y reduciendo la pérdida por Histérisis. La presencia de silicio hace que estas aleaciones aumenten su resistividad eléctrica original reduciendo las pérdidas por las corrientes de Eddy. Los fabricantes de chapas magnéticas de diversos países han normalizado su producción y sus cartas técnicas, no difieren sensiblemente unos de otros. 3.8.- MATERIALES AISLANTES Presentan una resistividad muy elevada debido a las corrientes de fuga que circulan en forma transversal y superficial. Las clases de aislamiento de las máquinas eléctricas y sus respectivos HM CLASIFICACION GENERAL DE LOS MATERIALES límites de temperatura según las normas IEC son las siguientes: AISLANTES UTILIZADOS EN ELECTROTECNIA Tabla N° 1.1.- Clasificación de los materiales aislantes según IEC 34 - 1 Clases de aislamiento Y A E B F H Temperatura ambiente C° 40 40 40 40 40 40 40 Sobre elevacion máxima de temperatura C° 45 60 75 80 100 125 # 5 5 10 Diferencia máxima entre el punto mas caliente y el bobinado ó sistema conductor Temperatura límite C° 5 90 15 15 C 15 105 120 130 155 180 & NOTAS : Temperaturas mayores a 125° C. & Temperaturas a 180° C. & superiores Temperaturas superiores a 180 °C. # Temperaturas mayores de 125 °C. AISLANTES ING. HUBER MURILLO M LaMATERIALES temperatura ambiente debe ser no máximo de 40° C., por encima deesta T. ambiente las condiciones de trabajo son consideradas especiales. Las normas por tanto especifican (para máquinas eléctricas) un máximo de temperatura ambiente y una sobre elevación máxima para cada clase de aislamiento. De este modo se fija indirectamente el punto mas caliente. Los valores numéricos y la composición de la temperatura admisible del punto mas caliente están indicados en la tabla anterior. Para alternadores de construcción naval deberán de cumplirse las normas internacionales establecidas para este caso. Para alternadores usados en locales húmedos y calientes deberán utilizarse aislamientos tropicalizados caracterizados por tener una buena resistencia contra la humedad y soportar altas temperaturas ambientes. Las principales características son: Eléctricas.- Resistencia de aislamiento, rigidez dieléctrica, constante dieléctrica y factor de potencia. Mecánicas.Resistencia a la tracción, comprensión, cortadura, flexión y choque. Físicas.MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Esencialmente son el peso específico y porosidad. Calor específico, conductividad térmica y temperatura de seguridad. Térmicas.- Las normas internacionales clasifican a los materiales aislantes tal como sigue: El mylar es un film polyester y está hecho de tereftalato de polietileno, que es de polímero formado por la reacción de condensación de etilenglicol y del ácido tereftálatico; es un material aislante de clase B. MATERIALES CONDUCTORES PLATINA FORRADA MATERIALES CONDCUTORES ALAMBRES ESMALTADOS ING. HUBER MURILLO M Figura N° 1.10.- Materiales aislantes y conductores El nomex es fabricado a base de fibras cortas de pequeñas partículas fibrosas liantes de aramid (polyamida aromático), esto produce un papel sintético flexible y sólido que posee las excelentes propiedades eléctricas, térmicas, químicas y mecánicas; es un material aislante clase H. Estos materiales se presentan en los siguientes espesores: 0.15 , 0.20, 0.25, 0.30 y 0.35 mm, respectivamente. El nomex-mylar-nomex está compuesto por un film de polyester MILAR revestido en sus dos caras por NOMEX, tiene una temperatura de operación clase "F" 155º C. y goza de muy buenas propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y químicas. Tabla N° 1.2.- Papeles aislantes Clase F (Nomex – maylar – momex) Espesor Rigidez dieléctrica Constante Tensión de perforación (mm) (KV/mm) dieléctrica 1Khz (Kv) 0.13 27 2.3 7 0.18 33 2.5 9 0.25 34 2.6 12 0.30 34 2.8 15 0.38 34 3.0 20 MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Aislamientos de ranura.- Se trata de los materiales con los que se aíslan las ranuras del paquete magnético estatórico, se incluyen los separadores de medio canal, cabezas de bobinas y tejas. En el mercado se encuentran los siguientes papeles aislantes: . . . . Nomex aislamiento clase H (180° C) Sumitherm aislamiento clase F (155° C) Thermomid 2004 aislamiento clase "F" Hostatherm aislamiento clase "F" Tubos aislantes (spaguettys).- Usados en las conexiones realizadas en las cabezas de bobina, entre grupos y conexión de cables flexibles que conectan a los arrollamientos con el tablero de bornes. Encontramos este tipo de diversas marcas y colores, siendo sus características más importantes las que siguen: . . . . . . - Tubito tejido de polyester impregnado con poliuretano. Rigidez dieléctrica en seco 2 Kv/mm durante un minuto. Temperatura de operación 155º C (clase F). Presentación de 0.8 mm a 24 mm de diámetro interior. Resistencia mecánica DIN 40620. Los más utilizados son: Revitex con aislamiento clase F y H. Tramacril con aislamiento clase F y H. Fibra de vidrio siliconado con aislamiento clase H. Cintas de amarre.- Empleados en el amarre de las cabezas de las bobinas, así mismo en la protección de las uniones soldadas de los cables de salida correspondientes al L.A. y L.O.A.; presentan las siguientes características: . Tejido de vidrio finísimo con película de polyester. Alta rigidez dieléctrica. . Temperatura de operación 155º C (clase F). . Alta resistencia mecánica. . Entre las usadas tenemos: - Cinta de polyester, polyglas ó scotchply. - Cinta de fibra de vidrio sumica. . Figura N° 1.10.- Materiales aislantes utilizados en los bobinados trifásicos MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Barniz segmentante de impregnación.- La finalidad es de proteger a los aislantes de fuertes y frecuentes vibraciones electromecánicas y presentar un camino mas compacto para la circulación del calor. Sus características más importantes son: . . . Viscosidad a temperatura ambiente copa Ford N° 4 con 75 a 15 seg. Tiempo de curado a 135° C 4 horas Clasificación térmica F (155° C). Materiales conductores aislados.- Según sus propiedades tenemos solamente dos tipos de materiales conductores que serán analizados a continuación. Alambres esmaltados.- Se utiliza cobre refinado electrolítico con 99.96% de pureza, temple blando según normas de fabricación ASTM - B3 y NEMA 1000 MW SECCION 30 - C y tiene doble capa de esmalte a base de poliéster clase "F" y poliéster - amida para la clase "H". Para máquinas grandes estos materiales son platinas de cobre de temple duro aisladas convenientemente con materiales aislantes clase H ó por lo menos F. De acuerdo con las normas internacionales recomiendan hacer como mínimo los siguientes ensayos: dimensiones, adherencia, flexibilidad, elongación, choque térmico, capacidad dieléctrica y control de la resistencia a la abrasión. Cables de conexión.- Se utilizan para unir el circuito eléctrico interno de la máquina y conectar al circuito exterior de fuerza. Está compuesto de los siguientes materiales: Cobre refinado electrolítico con 99.96% de pureza. Es aislado con cloruro de vinilo modificado y una trenza de fibra de vidrio impregnada en siliconas y/o barniz de alta temperatura. La tensión de servicio es de 1 KV, siendo la temperatura de servicio 155° C. Presentación de: 150 a 0.5 mm². Según VDE 0472 recomienda realizar los siguientes ensayos: Tensión de ensayo en seco y continuo a 3000 voltios. Como hemos visto que los materiales aislantes dependen directamente de la temperatura y del tipo de material de impregnación. Para fines de normalización los materiales aislantes y los sistemas de aislamiento (cada uno formado por la combinación de otros materiales) son agrupados en clases de aislamiento cada cual definido por su respectivo límite de temperatura, o sea por la mayor temperatura que el material puede soportar continuamente sin que sea afectado su vida útil. 3.9.- OTROS MATERIALES Se refiere al conjunto de materiales que son utilizados en la construcción de las máquinas síncronas. Estos son los siguientes: Eje.- Es el elemento que transmite la potencia mecánica desarrollada por el motor primo; tenemos dos tipos de ejes que son frecuentemente utilizados: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. . . SAE 1045, 1040, 1060. VCL 100, 150. En las puntas de los ejes es maquinado una ranura axial realizada para el alojamiento de la chaveta cuyas dimensiones están de acuerdo con la norma IEC publicación 72 1971 y ABNT NBR 5432. Las chavetas están de acuerdo con las normas DIN 6885 y ABNT EB 122 y son siempre abastecidas con la máquina. Rodamientos.- Son elementos que conjuntamente con el eje-rotor forman la parte móvil de las máquinas rotativas. Podemos señalar que los rodamientos están conformados por: Elementos rodantes Jaula metálica ó PVC especial. Bolas ó rodillos de acero. Elementos fijos interno y Anillo externo. Anillo Los rodamientos si se manipulan adecuadamente pueden dar un funcionamiento fiable en una amplia gama de condiciones de trabajo, pero pueden dañarse si el manipuleo es incorrecto. A continuación se señalan algunas precauciones para la manipulación adecuada de los rodamientos: - Mantener limpio los rodamientos y la zona de trabajo. No exponer los rodamientos a temperaturas altas (Tmax = 110° C). Utilizar las herramientas adecuadas para su manipulación. rodamientos deben ser manipulados por personal adiestrado. Protegerlos contra la humedad, polvo y cuerpos extraños. Si se monta un reten exigir que la pista del eje esté bien rectificado. - Los - - Métodos para detectar defectos en los rodamientos: Los métodos indicados a continuación pueden aplicarse fácilmente, insitu no necesitando ser desmontados, pudiendo ser los siguientes: - Comprobación mediante ruidos. Verificación de la temperatura de trabajo. Análisis del estado del lubricante. Aplicando un análisis vibracional. Otras partes.- Entre las otras partes podemos encontrar las siguientes: . Ventilador o sistema de ventilación. Escudos en L.O.A y L.A. Caja de conexiones y pernería en general. . . Formas constructivas.- Se entiende por forma constructiva la disposición de las partes componente de las máquinas en relación a su fijación. Las máquinas son construidas según la norma IEC (International Electrotechnical Comission) y NEMA MG1-4.03 (National lectrical Manufactures Association). Son éstas las que determinan la forma constructiva, dimensiones, grado de protección, y potencias entre otras características. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. IDENTIFICACION DE LAS MAQUINAS SINCRONAS D K B H 16 63 04 I A N° DE FASES D E Trifásicos Monofásica EXCITACION K M Con AVR Control inductivo ESCOBILLAS A B Con escobillas Sin escobillas EXCITATRIZ AUXILIAR H L Con excita. Auxiliar Sin excitación auxiliar ALTURA DEL EJE 16 (160, .. .. 40 (400 LONGITUD DEL PAQUETE 1, 2, 3, 4 ,5 …….. N° DE POLOS 02, 04, 06 ……. APLICACIÓN I T N E M C Industrial Telecomunicaciones Naval Especial Marinizado C. P. D SISTEMA DE REFRIGERACION A Abierto F Intercambiador de calor aire - aire W Intercambiador de calor agua – aire D Autoventilado por ductos T Ventilación forzada independiente por ductos L Ventil. Forzada independ. Con intercab. De calor aire – agua. Figura N° 1.11.- Identificación de las máquinas síncronas FUNDAMENTOS 4.- PRINCICPIO DE FUNCIONAMIENTO Figura N° 1.11.- Conformación de un sistema de generación monofásico La tensión inducida en la bobina giratoria se puede extraer y alimentar una carga monofásica El campo magnético podría estar siendo generado por bobinas en el estator o en el rotor 5 INGENIERIA GESTION DEpor LA ENERGIA ELECTRICA Si el campo magnético dá una Yrevolución segundo, estaría induciendo en la bobina una corriente alterna de 1 ciclo por segundo. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 14 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Para que genere una tensión de 60 ciclos por segundo el rotor debería rotar a 3600 revoluciones por minuto. A esta velocidad se le denomina velocidad síncrona. Figura N° 1.12.- Pasos para generar corriente alterna monofásica FUNDAMENTOS Si el campo tiene cuatro polos N S N S, entonces en cada revolución habrá completado dos ciclos, si su velocidad es de 1 vuelta por segundo, la tensión generada será de 2 hertz. En este caso, para generar una frecuencia de 60 hertz, la velocidad síncrona de este generador será de 1800 revoluciones por minuto. Figura N° 1.13.- Generación de corriente alterna trifásica Si el generador tiene 12 polos en cada revolución habrá producido 6 ciclos. Para producir 60 hertz requerirá girar a 10 revoluciones por segundo o 600 RPM. Para este generador, su velocidad síncrona será de 600 RPM. 11 MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE INGENIERIA Y GESTION DE LA ENERGIA ELECTRICA Page 15 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Las altas velocidades son propias para maquinas propulsadas por turbinas a gas o a vapor y las velocidades síncronas bajas son propias de maquinas lentas tipo grupos diesel. En el caso de un generador trifásico se usan tres bobinas igualmente separadas y cada bobina genera una tensión sinusoidal desfasada 120 grados una de la otra.La frecuencia de la tensión inducida en el estator, depende de la velocidad en forma directa; quiere decir que a mayor velocidad del rotor, mayor es la frecuencia de la tensión generada. En los generadores sincrónicos sucede que: Rotor alimentado con corriente continua a través de anillos deslizantes el cual produce campo Bf. Al girar el rotor impulsado por la máquina motriz a Ws, el campo Bf, gira a la misma velocidad. El campo giratorio Bf induce tensiones trifásicas en el estator con una frecuencia: f = P x Wr / 2 x ᴫ Donde: f : frecuencia de las tensiones inducidas en el estator. Wr : velocidad de giro del rotor P : número de pares de polos. Al conectar una carga trifásica circulan corrientes trifásicas por el devanado del estator, esto da origen a un campo giratorio de reacción del estator. El campo giratorio producido por las corrientes circulantes del estator es el campo de reacción del inducido. En forma general podemos afirmar que: El devanado inductor (el que induce las tensiones) es el rotor. El devanado inducido (donde se inducen las tensiones) es el estator. El campo resultante es la suma del campo excitador producido por el rotor y del campo de reacción del inducido. En los motores sincrónicos sucede que: Rotor alimentado con corriente continua produce campo Bf estacionario con respecto al rotor. Estator alimentado con corrientes trifásicas producen un campo giratorio a la velocidad: Ws = 2 x ᴫ x f / P Donde: Ws : Velocidad a la que gira el campo del estator. f : Frecuencia de las corrientes por el estator. P : número de pares de polos. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 16 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. El torque de los motores síncronos esta dado por: Te = K . Best. . Brotor . Sen DT Te = K . FMMest. . FMMrotor . Sen DT Figura N° 1.14.- Interacción de los campos magnéticos en las máquinas síncronas El motor sincrónico desarrolla T ǂ 0 cuando Wr = Ws Además el motor sincrónico no puede arrancar en forma autónoma. Wr Ws GENERADOR SINCRONO - Tmax MOTOR SINCRONO Tmax Figura N° 1.15.- Características velocidad – torque de las máquinas síncronas Las máquinas síncronas están constituidas básicamente de materiales ferromagnéticos, aislantes, conductores aislados y accesorios diversos. Para su mejor entendimiento y comprensión he creído conveniente hacer una ligera descripción de los componentes eléctricos y mecánicos que conforman las máquinas síncronas; en tal sentido, es que pasamos a describir a continuación. La característica principal de un generador eléctrico es transformar la energía mecánica en eléctrica. Para facilitar la comprensión del principio de funcionamiento consideremos una espira inmersa en un campo estático producido por un imán permanente. El principio básico de funcionamiento está basado en el movimiento relativo de una espira (movido por un motor MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 17 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. primo) y el campo magnético. Los terminales de la bobina están en contacto con dos anillos rozantes, instalados en el eje del rotor del generador síncrono, mediante dos escobillas. El motor primo proporciona la potencia mecánica a velocidad constante y según la ley de inducción de Faraday podemos afirmar que: e = B.l.v.Cos Voltios Donde: e B = v = Valor instantáneo de la fuerza electromotriz (f.e.m). = Inducción del campo magnético. Longitud de la espira de cada conductor. = Velocidad lineal del conductor en relación al campo magnético. = Es el ángulo formado por B y v. l Para N espiras tendremos e = N.B.l.v.Cos Voltios La variación de la f.e.m. en un conductor en función del tiempo es determinada por la ley de distribución de inducción magnética sobre un polo. Esta distribución tiene un estudio complejo y depende de la zapata polar, y con un diseño conveniente de la zapata podremos obtener una distribución senoidal de las tensiones inducidas. Cada vuelta de 360 grados tenemos un ciclo completo de tensión generada para una máquina de un par de polos. Los arrollamientos pueden ser construidos con un número mayor de par de polos que se distribuyen alternativamente. En este caso tenemos un ciclo para cada par de polos, siendo "n" la rotación de la máquina en RPM y la frecuencia en ciclos por segundos (Hertz) tenemos: RPM = (120.F) / p Donde el número de polos de la máquina tendrá que ser siempre par. Tabla 1.3.- Velocidades Síncronas Normalizadas N° de polos MAQUINAS SINCRONAS 60 Hertz 50 Hertz 2 3600 3000 4 1800 1500 6 1200 1000 8 900 750 10 720 600 12 600 500 16 450 375 18 400 --- 20 360 300 24 300 250 30 240 200 ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 18 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. El sistema trifásico está formado por la asociación de tres sistemas monofásicos de tensiones R, S y T desfasados de 120 grados. El bobinado de este tipo de generador está constituido por tres conjuntos de bobinas dispuestas en el espacio, formando entre sí también un ángulo de 120 grados eléctricos. Para que el sistema sea equilibrado esto es necesario NR = NS = NT (el número de espiras en cada bobina deben ser iguales). La conexión Y es la mas utilizada en los grandes generadores síncronos instalados en nuestro sistema interconectado. 5.- TENSIÓN INDUCIDA GENERADA Si se incrementa la corriente de excitación If, el flujo magnético principal Φf se incrementa, de tal manera que la tensión generada Eaf también de incrementa. Cabe recordar que la característica magnética del núcleo magnético no es lineal, por lo tanto no existe una relación estrictamente lineal entre la corriente de excitación y el flujo magnético, tal como se muestra en la figura mostrada a continuación. En ella apreciamos que se presentan tres zonas, ellas son: La zona lineal. La zona del codo de saturación. La zona saturada. EGP 1800 r.p.m. ZONA SATURADA 1500 r.p.m. CODO DE SATURACIÓN ZONA LINEAL R ER IF IF Figura N° 1.16.- Características de la curva de magnetización Podemos visualizar también que la tensión inducida Eaf varía en forma proporcional a la velocidad. Un incremento del flujo lleva a un incremento proporcional a la tensión generada. Así mismo, un incremento de la velocidad de giro, se incrementa la tensión generada en forma proporcional. En consecuencia Eaf α Øf y Eaf α RPM La tensión generada depende de: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 19 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Número de polos. Características geométricas del rotor y estator. Número de espiras. Método de diseño. Tamaño del generador Velocidad del motor primo Tipo y clase de hierro silicoso. Materiales aislantes. Como se puede notar todas éstas características conforman la parte constructiva de la máquina, pero finalmente éstas características son fijas y constantes, por lo tanto podemos concluir: La tensión generada en el devanado del estator (devanado del inducido), depende del flujo magnético principal, de la velocidad y del aspecto constructivo de la máquina. Eaf = k . Øf . RPM Asimismo, cabe recalcar que la frecuencia de esta tensión generada, depende de la velocidad, y del número de polos de la máquina. Dicha frecuencia se puede determinar mediante la siguiente relación: F = p . RPM /120 Donde: F = RPM = Øf = p = IF = Eaf = K = frecuencia de la red (Hz). velocidad de giro en r.p.m. flujo magnético principal (Wb) número de polos de la máquina. Corriente de campo (A). tensión generada por fase (V o KV). constante que depende del aspecto constructivo de la máquina. Cabe indicar que no toda el flujo creado por el devanado de campo se concatena completamente en el circuito del estator, si no que parte se pierde a través del aire. Así mismo cuando se conecta una carga a los terminales del generador, circula corriente por el devanado de estatórico, creando este devanado un flujo que reaccionará sobre el campo principal. Este flujo de reacción de armadura, depende del tipo de carga (resistivo, inductivo o capacitivo) creando magnetización o desmagnetización del generador. Estos flujos de dispersión y la reacción de la armadura se traduce en un decremento de la tensión generada. 6.- MODELAMIENTO DE GENERADOR SÍNCRONO Con la finalidad de poder realizar un estudio del comportamiento de los generadores síncronos, es que hemos escogido un modelo adecuado, el cual está representado por resistencias e inductancias inductivas. En tal sentido es que presentamos la figura N° 1.12. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 20 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Fase R A1 Fase S A2 If Fase T A3 Vf ROTOR ESTATOR CARGA Figura N° 1.17.- Circuito equivalente de campo y estator trifásico La suma de estos dos efectos, se puede representar en un circuito equivalente por una reactancia. A dicha reactancia se le conoce con el nombre reactancia síncrona (XS). Además el circuito contiene la resistencia propia del devanado de armadura RA, la cual también provoca caída de tensión. Estos dos elementos se representan a continuación en la figura siguiente. Circuito equivalente IA RA IL XS V Eaf ZL If Vf EGP K n Figura N° 1.18.- Circuito equivalente monofásico Donde: EGP Ley : Tensión generada fase. N° 1.13, en el circuito equivalente monofásico Aplicando la 2da. de Kirchhoff, a por la figura U TP : Tensión en terminales por fase. tenemos: RA : Resistencia de armadura. XS : Reactancia síncrona. Earmadura. af V I A RA I A X S IA : Corriente de IL : Corriente de línea. I : excitación. F Todas las variables Corriente utilizadasdeen la ecuación anterior son vectores. En consecuencia la U EXC : Tensión de excitación. impedancia síncrona, tiene dos componentes, uno es la resistencia de armadura (RA) y el otro es n : Velocidad la reactancia síncrona (Xs), estode es:rotación, igual a la velocidad síncrona (nS). : Flujo principal (flujo de campo) 14 Zs = RA + j XS Pero MAQUINAS SINCRONAS Xs = Xd + Xar ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 21 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Eaf Xs Xd IX S IZ S Xar Zs V IR A IA RA Figura N° 1.19.- Diagramas fasoriales exactas de: Impedancia, tensiones y corrientes del generador síncrono. Donde: Eaf : Tensión generada por fase (V). V : Tensión en terminales por fase (V). RA : Resistencia de armadura (Ω) XS : Reactancia síncrona (Ω) . IA : Corriente de armadura (A). IL : Corriente de línea (A). If : Corriente de excitación (Adc). Vf : Tensión de excitación ()Vdc. RPM : Velocidad de rotación, igual a la velocidad síncrona (nS). : Flujo principal (flujo de campo) Xd : Reactancia de dispersión (Ω) Xar : Reactancia de reacción de la armadura (Ω) 7.- ECUACION DE POTENCIA – ANGULO La potencia suministrada por un generador síncrono puede expresarse como una función de: O La tensión en los terminales V. O La tensión inducida Eaf O El ángulo de potencia ó par (ángulo formado por V y Eaf). En la figura N° 1.14 se muestra el diagrama fasorial de la impedancia Zs = RA + j.Xs Además podemos notar que la caída de tensión interna está dada por: ΔV = IA . ZS Como, XS >>>> RA, entonces se suele aproximar la impedancia síncrona a la reactancia síncrona: XS Zs, tal como se presenta en la figura N° 1.15. En consecuencia: Eaf = V + IA . Xs (cada variable de estos son vectores) Para fines del tema de sistemas de potencia y para el planteamiento propuesto, ésta aproximación es muy empleada. Cabe indicar, de la figura N° 1.14, que al ángulo () entre los fasores de tensión Eaf y V, se le conoce con el nombre de ángulo de potencia. Del diagrama anterior notamos que: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 22 UTP Ia ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Eaf IA.Xs IA.Xs.Cos Eaf. Sen V IA IA.Xs.Sen Figura N° 1.20.- Diagrama fasorial aproximado de tensiones y corrientes del G.S. IA . Xs CosΦ = Eaf . Sen IA . CosΦ = ( Eaf . Sen ) / Xs Multiplicando a ambos miembros por V obtendremos: V . IA . Xs CosΦ = V . Eaf . Sen . V . IA . CosΦ = ( V . Eaf . Sen ) / Xs P = (V . Eaf . Sen ) / Xs (Potencia activa monofásica) P = (3 . V . Eaf . Sen ) / Xs (Potencia activa trifásica) A esta expresión se le conoce como la ecuación de potencia. Es necesario recordar que el modelo tomado como referencia contiene parámetros de tensión y corriente de fase. P Pmáx Pw B A 0º w 90º MAQUINAS SINCRONAS 180º ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 23 ME III 01 CONSTITUCION ELECTROMECANICA Y FUNCIONAMIENTO M.S. Figura N° 1.21.- Características de la curva potencia – ángulo en máquinas síncronas De la figura N° 1.16 encontramos, bajo la curva, dos áreas: o A es la región estable. o B es la región inestable. o Pw es la potencia de trabajo estándar ó práctica del G.S. o w es el ángulo de trabajo práctico -90° < < +90° Finalmente podemos afirmar que: o Cuando 0°, entonces a máquina síncrona opera como generador. o Podemos entender que la máquina síncrona entrega ó suministra potencia. o Cuando 0°, la máquina síncrona opera como motor. o Podemos entender que la máquina síncrona recibe ó consume potencia. SOLICITE SU SEGUNDO CUADERNILLO MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 24 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO Se refiere a la regulación de los parámetros de control de la máquina en servicio continuo, sabiendo que el alternador puede accionar cargas que están por encima de su potencia nominal, sin alcanzar el limite de estabilidad. Para seleccionar el alternador es conveniente tener en cuenta las siguientes características de funcionamiento: a.- Potencia nominal KVA. b.- Factor de potencia Cos fi. c.- Numero de polos y fases. d.- Frecuencia (Hz). e.- Temperatura ambiente. f.- Altitud (msnm). g.- Protección mínima normalizada. h.- Tensión de campo (DC voltios). i.- Corriente de campo. j.- Tipo de excitación. (Sistema sin escobillas y sistema con exitatríz estática) k.- Régimen de servicio. m.- Grado de protección de la maquina IP ... n.- Tipo de aplicación. o.- Forma constructiva. p.- Características de la carga. q.- Precisión de la regulación. r.- Rango de ajuste de tensión s.- Tipos de regulación: Tensión constante y/o tensión, Frecuencia constante. MAQUINAS DE GRAN PORTE 1.- Potencia nominal (KVA, MVA) 2.- Factor de potencia nominal. 3.- Eficiencia nominal (%) 4.- Tension nominal estatórica (V,KV) 5.- Corriente nominal estatórica (A,KA) 6.- Frecuencia nominal (Hz) 7.- Velocidad nominal (RPM) 8.- Tension nominal de excitación (V) 9.- Corriente nominal de excitación (A,KA) 10.- Esquema de conexiones normalizadas 11.- Momento de inercia (PD²) 12.- Clase de aislamiento estator (F) 13.- Clase de aislamiento rotor (F) 14.- Marca - datos varios Fabricante. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS CONEXIONES EXTERNAS EN LAS MS. CONSTITUCION ELECTROMECANICA DE LAS MS ING. HUBER MURILLO M CONEXIÓN DEL NEUTRO DE LAS MAQUINAS SINCRONAS 1.- Neutro flotante o aislado. 2.- Neutro conectado sólidamente a tierra. 3.- Neutro conectado a través de una resistencia baja. 4.- Neutro conectado a través de una resistencia alta. 5.- Neutro conectado a través de una baja impedancia. 6.- Neutro conectado a través de una alta impedancia. CONEXIONES TRANSFORMADOR - GENERADOR SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA EN LAS MS MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO M ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS Su propósito es eliminar los potenciales de toque que pudieran poner en peligro la vida y los equipos del sistema. Se logra conectando el punto NEUTRO del sistema eléctrico de la máquina síncrona al sistema de ATERRAMIENTO, mediante un conductor debidamente calculado para soportar la corriente de corto circuito del sistema. QUE SUCEDE CUANDO NO EXISTE LA PUESTA A TIERRA? • • • • Discontinuidad del servicio. Fugas eléctricas múltiples. Quemaduras diversas. Complejidad en la localización de fallas. InseguridadPUESTAS del personal.A TIERRRA SEGUN IEC 364 - 5 - 54 KW 7.5 9 11 15 18.5 22 30 37 45 55 75 90 110 150 185 220 250 275 330 365 SECCION DEL CONDUCTOR EN mm² II PLOS IV POLOS VI POLOS VIII POLOS 4 4 4 6 6 6 6 6 6 6 6 6 10 10 10 10 10 10 10 16 16 16 16 16 16 16 16 16 25 25 25 25 25 25 25 25 35 35 35 35 35 35 35 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 90 90 90 90 PUESTAS A TIERRRA SEGUN IEC 364 - 5 - 54 La puesta a tierra protégé a : . Operarrios. . Equipos. . Sistema mando. . Sistema protección . Otros RAZONES PORA CONECTAR A TIERRA LOS NEUTROS DE UN SISTEMA ELECTRICO • • • • • Limitar las sobre tensiones relacionadas con diferentes condiciones de falla. Limitar las diferencias de potencial eléctrico entre las partes conductoras no aisladas en un área determinada. Aislar circuitos y equipos defectuosos en el caso de que se presenten fugas eléctricas a tierra. Asegurar una mayor vida del aislante. Mejorar la operación de los sistemas de protección. Evitar perjuicios al personal. VENTAJAS DE LA CONEXIÓN A TIERRA DEL NEUTRO DEL GENERADOR MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS • • • • • • • Limitar los esfuerzos mecánicos en los devanados del generador por causa de corrientes de falla. La necesidad de operación selectiva de los reles en fugas eléctricas de línea a tierra. Reducir los daños en el lugar de la falla. Limitar las sobre tensiones transitorias. Limita la tensión de línea a tierra en las dos fases sin falla durante la falla de línea a tierra. Permite el uso de pararrayos más pequeños sí Xo/X1 esta entre 1 y 3. Limita las sobre tensiones transitorias a un valor seguro sí sí Xo/X1 < 10 Permite la operación satisfactoria rele diferencial para corrientes de falla a tierra. OPERACION DE LASdelMAQUINAS SINCRONAS OPERACION NORMAL DEL MOTOR SINCRONO “ COMPENSADOR DINAMICO” MS Q ( MVAR ) OPERACION NORMAL DEL GENERADOR SINCRONO + P P G SISTEMA Q SISTEMA AQUI Q MW MW MS + P OPERACION NORMAL DEL MOTOR SINCRONO “ PARA CARGAS PESADAS ” OPERACION Y CAPABILIDAD MAQUINAS SINCRONAS G SISTEMA Q ( MVAR ) P SISTEMA Q OPERACION ANORMAL DEL GENERADOR SINCRONO ING. HUBER MURILLO M ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS LA PRESENTACIÓN DE LAS SIGUIENTES TOPOLOGÍAS EN LAS CUALES SE ENCUENTRAN TRABAJANDO LAS MAQUINAS SINCRONAS TIENE COMO METAS LO SIGUIENTE: 1. HACER QUE NUESTROS FUTUROS COLEGAS CONOZCAN LOS DIVERSOS TIPOS DE CONEXIONADO. 2. INCREMENTAR LA CAPACIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO NECESARIO, PARA LO CUAL SE TIENEN QUE PONER EN PARALELO UNO O MAS GENERADORES. 3. FAMILIARIZARSE CON LOS PROCEDIMIENTOS DE PUESTA EN PARALELO. 4. SE PUEDA ELEGIR SEGÚN SEA EL CASO LA TOPOLOGÍA NECESARIA PARA PODER BRINDAR FIABILIDAD Y CONFIABILIDAD AL SISTEMA ELÉCTRICO Y POR ENDE A LAS CARGAS COMPROMETIDAS. 5. SELECCIONAR LOS EQUIPOS DE PROTECCIÓN ADECUADOS. 6. HACER LA COORDINACION AMPERIMETRICA Y CRONOMÉTRICA DE LOS EQUIPOS. 7. HACER LOS ESTUDIOS DE CORTO CIRCUITO NECESARIOS. 8. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE CABLES DE MEDIA (cobre y aluminio)Y BAJA TENSIÓN LIBRES DE HALÓGENO U OTROS. FIGURA N° 1.- GENERADORES SINCRONOS EN CARGAS AISLADAS MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS FIGURA N° 2.- GENERADORES SINCRONOS EN PARALELO FIGURA N° 3.- GENERADOR SINCRONOS EN PARALELO CON LA RED FIGURA N° 4.- GENERADOR SINCRONOS EN BAJA TENSION ATENDIENDO A SISTEMA EN MT MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS FIGURA N° 5.- GENERADORES SINCRONOS EN PARALELO - INCLUYE LINEA DE TRANSMISION FIGURA N° 6.- SISTEMA DE CONTROL DMC – 300 APLICADOS A GENERADORES SINCRONOS EN PARALELO Y LINEAS DE TRANSMISION MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 ME III 03 OPERACIÓN DE LAS MAQUINAS SINCRONAS FIGURA N° 7.- SISTEMA DE CONTROL POWERCOMND EN LAZADOS CON EL DMC – 300 APLICADOS A GENERADORES SINCRONOS EN PARALELO TAREA GENERAL 1. Hacer la interpretación de las topologías presentadas, y si a su criterio existen aún más, agregarlos a lo presentado líneas arriba. 2. Seleccionar y dimensionar los interruptores termomagnéticos de las topologías. 3. Seleccionar y dimensionar los interruptores de potencia incluidos en las topologías. 4. Seleccionar y dimensionar los cables de baja tensión libres de halógeno. 5. Seleccionar y dimensionar los cables de media tensión de cobre y aluminio. 6. En la figura N° 3 LDS = 2.5 MW y el grupo electrógeno 1.8 MW hacer un análisis (utilizando esquemas unifilares) como afrontar una contingencia utilizando el grupo electrógeno. 7. Hacer una aplicación de las figuras 4 y 5. 8. Hacer una aplicación de las figuras 6 y 7. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO CURVA DE CAPACIDAD DE UN GENERADOR SINCRONO Existen ciertos límites básicos en la velocidad y en la potencia que puede obtenerse de un generador síncrono, los cuales suelen expresarse como especificaciones nominales (ratings) de la máquina. El objetivo de las especificaciones nominales es el de evitar el deterioro del generador, ocasionando por la utilización incorrecta del mismo. Toda máquina tiene sus especificaciones marcadas en una placa de características adheridas a ella. Las especificaciones nominales típicas de la máquina síncrona son: Tensión, frecuencia, velocidad, potencia aparente (kVA), factor de potencia, corriente de campo y factor de servicio. A continuación dichas especificaciones y las relaciones entre sí serán analizadas. Especificaciones de Tensión, Velocidad y Frecuencia La frecuencia nominal del generador síncrono depende del sistema al cual va a ser conectado. Las frecuencias comúnmente utilizadas en los sistemas de potencia son 50 Hz (en Europa y Asia, etc.) 60 Hz (en América), 40 Hz (en aplicaciones de control y de propósito especial). Una vez fijada la frecuencia de operación, solamente existe una velocidad posible para un cierto número de polos, puesto que están relacionados mutuamente por medio de la ecuación: f = n x p / 120 Tal vez, el valor nominal más obvio es el voltaje de operación para el cual fue diseñado el generador. Este depende del flujo, de la velocidad de rotación y de la construcción mecánica de la máquina. Cuando se dan el tamaño mecánico de la carcasa y la velocidad, si se desea obtener mayor voltaje es necesario mayor flujo en la máquina. Sin embargo, el flujo no puede aumentarse indefinidamente ya que existe una corriente máxima de campo. Otra consideración que fija límite a la tensión es el valor de ruptura del aislamiento de los arrollamientos: la tensión de funcionamiento normal no pueden ser muy próximos al valor de perforación. ¿Es posible operar un generador a una frecuencia diferente de su frecuencia nominal? Por ejemplo, es posible operar a 50 Hz un generador de 60 Hz? La respuesta es sí, siempre y cuando se acumulen ciertos requisitos. Básicamente, el problema es que en toda máquina hay un flujo máximo posible, y como EGf = K n, el máximo EGP posible cambia cuando lo hace la velocidad. Concretamente, si un generador de 60 Hz debe ser operado a 50 Hz, entonces su voltaje de operación necesita ser disminuido al 50/60 u 83.3 por ciento de su valor original. El caso contrario se presenta cuando un generador de 50 Hz deba funcionar a 60 Hz. Especificaciones de Potencia y de Factor de Potencia MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO Existen dos factores que señalan el límite de potencia de las máquinas eléctricas. Uno de dichos factores es el par mecánico del eje de la máquina y el otro, el calentamiento de sus devanados. Todos los motores y generadores síncronos comerciales tienen el eje de suficiente rigidez mecánica para soportar una carga permanente mucho mayor que la potencia nominal de la máquina. Por lo tanto, el límite de capacidad en régimen permanente queda determinado por el calentamiento de los devanados de la máquina. En el generador síncrono hay dos arrollamientos, y cada uno de ellos necesita estar protegido del sobrecalentamiento: son los devanados de armadura y de campo. La máxima corriente permisible en la armadura fija la potencia aparente nominal de la máquina, teniendo en cuenta que la potencia aparente S se expresa como: S = 1.7321 x Vn x Ia Donde: VN IA S = = = Tensión nominal (Kv) Corriente Potencia Aparente (KVA) Si ya ha sido fijada la tensión nominal, entonces la máxima corriente de armadura permitida determina los kA nominales del generador. Es importante anotar que, desde el punto de vista del calentamiento del devanado de armadura, no tiene importancia el factor de potencia de la corriente de armadura. El efecto calorífico de la pérdida en el cobre del estator se expresa por: PCU 3 I 2 A RA y es independiente del factor de potencia de la carga. El otro arrollamiento es el del campo. Las pérdidas en el cobre del devanado de campo están dadas por: PCuR I 2 F RF así que el máximo calentamiento permitido fija la máxima corriente del campo (IF) de la máquina; como Egf = K n también determina la magnitud máxima de Egf. El efecto de tener límites máximos de IF y de Egf conlleva directamente a establecer restricción sobre el mínimo factor de potencia permisible del generador cuando funciona a su capacidad (KVA) nominal. En la figura siguiente se representa el diagrama fasorial de un generador sincrónico con voltaje y corrientes nominales. Como lo indica la figura, la corriente puede tomar muchas posiciones diferentes. El voltaje interno generado Egf es la de un generador sincrónico con voltaje y corriente nominales. Como lo indica la figura, la corriente Ia, puede tomar muchas posiciones diferentes. El voltaje interno generado Egf es la suma de V y jIAXs. Obsérvese que Egf supera a Egf-máx para algunos ángulos de atraso de la corriente: podría quemarse el devanado de campo del generador si éste se hiciera funcionar con corriente nominal de armadura a estos factores de potencia. El ángulo de IA que exige la magnitud máxima MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO permisible de Egf cuando V se mantiene en el valor nominal, es el que fija el factor de potencia del generador. Es posible hacer funcionar el generador a un factor de potencia menor (más atrasado) que el nominal, pero disminuyendo los kVA suministrados por el generador. La corriente límite del campo determina el factor de potencia nominal del generador Curvas de Capacidad del Generador Síncrono Los límites de calentamiento del estator y del rotor, junto con cualquier otra limitante externa que exista sobre el generador sincrónico, pueden representarse gráficamente mediante el diagrama de potencias del generador. El diagrama de potencias es el gráfico de la potencia compleja S = P + jQ, y se deriva del diagrama fasorial del generador, suponiendo que V se mantiene constante en el valor nominal de la máquina. La Fig. 3.45 indica el diagrama fasorial del generador sincrónico funcionando a voltaje nominal con un factor de potencia inductivo. En el extremo de VTP se ha trazado un sistema de coordenadas rectangulares cuyos ejes están marcados en voltios. Sobre dicho diagrama el segmento vertical AB tiene longitud Xs IA cos , y el segmento horizontal OA XS IA sen. La potencia activa entregada por el generador es: P = 3 VTP IA cos La potencia reactiva entregada corresponde a: Q = 3 VTP IA Sen Y la potencia aparente en la salida del generador es S = 3 VTP IA MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO Así los ejes vertical y horizontal de la figura pueden ser recalibrados en unidades de potencia activa y reactiva. El factor de conversión requerido para cambiar los ejes de voltios a unidades de potencia (VA) es 3 V/XS: P 3V I A cos 3V X S I A cos XS 3V X S I A sen XS Q 3VI A sen Deducción de la curva de capacidad del generador sincrónico: (a) diagrama fasorial del generador. (b) la conversión a unidades de potencia Respecto a los ejes de voltaje, el origen del diagrama fasorial queda a - VTP sobre el eje horizontal; por lo tanto, sobre el eje de potencias dicho origen está en Q 3V Xs Q- VTP 3V 2 Xs En la Zona Lineal La corriente del campo es proporcional, al flujo de la máquina, y el flujo es proporcional a EGP = Kn. La longitud correspondiente a EGP en el diagrama de potencia es: DE MAQUINAS SINCRONAS 3EGf V XS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO La corriente de armadura IA es proporcional a XSIA, y la longitud correspondiente a XSIA en el diagrama de potencias es 3 V IA. Consiste en un a gráfica de P contra Q, con la potencia activa P sobre el eje horizontal y la potencia reactiva Q sobre el eje vertical. Las líneas de corriente de armadura IA constante, aparecen como líneas de S = 3 V IA constante, las cuales corresponden a círculos concéntricos con centro en el origen. Las líneas de corriente de campo constantemente corresponden a líneas de Egf constante, las cuales se indican como círculos de magnitud e EGf V/XA, con centro en el punto. Capacidad sobre el cual se ha representado el límite de potencia del primotor El límite de la corriente de armadura aparece como el círculo de IA nominal o de kVA nominales; y el límite de la corriente de campo aparece como el circuito correspondiente a los valores nominales de IF o de Egf. Cualquier punto ubicado dentro de estos dos círculos corresponde a puntos de funcionamiento seguro para el generador. Sobre el diagrama también pueden indicarse otras restricciones tales como la potencia máxima del motor primo y el límite de estabilidad estática. Ejemplo de aplicación Un generador síncrono de rotor cilíndrico, es movido por una turbina a gas de 95,36 MW. con el devanado del estator en estrella, y tiene los siguientes datos: Sn = 119.2 Mva, Pn = 95.36 Mw, Un = 13.8 Kv, CosΦn = 0.8 I, In = 8987 A , F = 60 Hz RPMn = 3600 p = 2 polos Las reactancias son: Xd = 2227.3 % X`d = 24.2% X”d = 14.8% X2 = 20.3% X0 = 8.7% Xd = 3.6315 Ω X`d = 0.3866 Ω X”d = 0.2365 Ω X2 = 0.3243 Ω X0 = 0.139 Ω Relación de cortocircuito (Kc) = 0,49 Impedancia nominal : Zn = Vn²/Sn = 1.598 Ω MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO Dibuje la curva de capacidad de este generador incluyendo el límite de potencia de la turbina. El generador no puede operar a una potencia de carga mayor al 92,5% de la máxima correspondiente a cualquier corriente de campo dado. ¿Puede este generador suministrar una corriente de 4850 A con un factor de potencia de 0,5 en atraso? ¿Por qué? ¿Cuál es la potencia reactiva máxima que puede producir este generador? Si el generador entrega 80 MW de potencia real, ¿Cuál es la máxima potencia reactiva que puede entregarse simultáneamente? Solución La máxima corriente del generador se halla de: Sn = 1.7321 x Un x Ian Ian = Sn / 1.7321 x Un = 119.2 Mva/ 1.7321 x 13.8 kV = 4987 A La máxima potencia aparente posible es 119,2 MVA, la cual determina la máxima corriente segura en el estator. El centro de los círculos Q está en: Q = - 3 x V² / Xs = - 3 x (13800/1.7321)² / 3.6315 = 52.44 MVAR El tamaño máximo de Egp se determina por medio de: E gp U tp jX s I N 13,8Kv 0 3,63 90 4987 - Arc Cos (0,8) 3 13,8Kv 0 18,14 KV 53,13 3 18833,5 j14488,1 E gp E gp E gp E gp 23761,4 37,57 23,76 KV 37,57 E g U tp jX s I N E g E g E gp 13,8Kv 3 13,8Kv 0 3,63 90 4987 - Arc Cos (0,8) 0 18,14 KV 53,13 3 18833,5 j14488,1 E gp 23761,4 37,57 23,76KV 37,57 Por lo tanto, la magnitud de la distancia proporcional a E gp es: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO DE 3E gp U tp Xs 13800 3(23761,4) 3 DE 156,4 3,63146 DE 156,4 MVAR Nosotros sabemos que el límite teórico de estabilidad ocurre cuando el ángulo de potencia = 90 y se representa por una recta perpendicular al eje de la potencia reactiva en el punto Q. Para cualquier círculo con centro en Q (círculo de Egf constante) por ejemplo, el círculo de arco MN la máxima potencia práctica es 92,5%. En este caso Máxima Potencia Práctica = 0,925 x 80 MW = 74 MW. que es la longitud de la recta QR La línea de potencia constante RT correspondiente 74 MW corta al círculo de excitación constante en el punto "T". Q (MVAR) Límite de la turbina Límite del estator Límite del rotor N P (MW) T Q R M Límite práctico de estabilidad Curva de capacidad del generador síncrono Entonces T es un punto sobre el límite práctico de estabilidad pueden obtenerse otros puntos de este límite de estabilidad de forma similar trazando otros círculos de Egf constante. Nótese que en este caso particular, QR se especifica como el 92,5% de QN . Esto significa que el límite práctico de estabilidad será, por geometría, una recta. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO No obstante, a veces el límite práctico de estabilidad se especifica de forma tal que el margen NR entre los límites de potencia teórico y práctico es una cantidad constante. Esto causa que el límite práctico de estabilidad sea una curva. Una corriente de 4850A, con un factor de potencia de 0,5 en atraso, produce una potencia activa de: P 3 13,8 x 4850x 0,5 KW P 57,96 MW y una potencia reactiva de: Q 3 13,8 4850 sen KVAR donde arc cos (0,5) 60 Q 100,4 MVAR Localizando este punto en el diagrama de capacidad, se ve que está dentro de la curva de límite del estator, pero fuera de la curva límite de campo, por lo cual este punto no cumple con las condiciones de funcionamiento seguro. Cuando la potencia activa entregada por el generador es cero, la potencia reactiva máxima que puede entregar el generador será: DEmáx = 156,4 MVAR - 52,44 MVAR = 103.96 Mvar Si el generador está entregando 80 MW de potencia activa, la máxima potencia reactiva que podrá entregar es de 80 MVAR. Este valor se puede hallar entrando al diagrama de capacidad con 80 MW y siguiendo la línea de megavatios constantes hasta encontrar el límite. El factor limitante en este caso es la corriente de campo; ya que el estator puede entregar hasta 88,37 MVAR para esa condición. Operación por poco tiempo y factor de servicio La limitación más importante del generador sincrónico en funcionamiento estacionario, la constituye el calentamiento de sus devanados de armadura y de campo. Sin embargo, el límite de calentamiento normalmente se presenta a una carga muy inferior de la potencia máxima, que tanto magnética como mecánicamente, es capaz de entregar al generador. De hecho, un generador sincrónico normal está capacitado para suministrar hasta el 300 por ciento de su potencia nominal durante cierto tiempo (hasta que se quemen sus devanados). Esta capacidad de sobrecarga es aprovechada para alimentar picos momentáneos de carga durante el arranque de motores o durante transitorios de cargas similares. También es posible trabajar un generador a potencia mayor que la nominal durante periodos de tiempo mayores, siempre y cuando los devanados no lleguen a calentarse excesivamente antes de quitar la MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME III 04 CURVAS DE CAPAPCIDAD DEL GENERADOR SINCRONO sobrecarga. Por ejemplo, un generador que pueda suministrar indefinidamente IMW, sería capaz de entregar 1.5 MW durante un minuto sin presentar calentamiento serio, y durante tiempos progresivamente mayores para menores niveles de sobrecarga. Sin embargo, la carga debe ser, finalmente eliminada o se sobrecalentarán los devanados. Mientras mayor sea la sobrecarga, menor tiempo la máquina puede soportar. La máxima sobretemperatura que puede soportar una máquina depende de la clase de aislamiento del aislamiento de sus devanados. Hay cuatro clases normalizadas A, B, F y H. A pesar de que existe alguna variación en la temperatura aceptable, dependiendo de la construcción particular de la máquina y del método de medición de la temperatura, estas clases generalmente corresponden a aumentos de temperatura de 60°C, 80°C, 105°C y 125°C, respectivamente, sobre la temperatura del ambiente. Mientras más alta sea la clase del aislamiento de una máquina, mayor es la potencia que puede obtenerse en ella sin sobrecalentar sus arrollamientos. El sobrecalentamiento de los devanados es un problema muy serio en motores o generadores. Una vieja regla establece que por cada 10°C que se exceda la temperatura nominal del devanado, el tiempo promedio de vida de la máquina se acorta a la mitad. Los materiales aislantes modernos son menos susceptibles a la ruptura, pero las sobretemperaturas todavía acortan drásticamente sus vidas. Por esta razón, una máquina sincrónica no debería ser sobrecargada a menos que sea absolutamente necesario. Una pregunta relacionada con el problema del sobrecalentamiento es: ¿qué tan exactamente se conocen las exigencias de potencia de una máquina? Antes de su instalación, generalmente sólo existen cálculos aproximados de carga. Por esta razón, las máquinas de propósito general normalmente tienen un factor de servicio. El factor de servicio se define como la razón entre la verdadera potencia máxima de la máquina y su valor nominal de placa. Un generador que tenga un factor de servicio igual a 1.15 realmente puede hacerse funcionar indefinidamente al 115 por ciento de su carga nominal sin perjuicio alguno. El factor de servicio de una máquina proporciona un margen de error en el caso de que las cargas fueran calculadas deficientemente. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA MÉTODO TRIANGULO DE POTIER 1 TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M INTRODUCCIÓN: El Triángulo de Potier es un método gráfico que tiene un papel importante dentro de la selección y puesta en funcionamiento de las maquinas síncronas de rotor cilíndrico que trabajan en la zona de saturación. Gracias a que este método nos permite calcular la reactancia de dispersión y la f.m.m. de reacción del inducido posteriormente podemos calcular la regulación de tensión y la f.e.m., E0. TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 1 APLICACIÓN : Este método se aplica a las maquinas síncronas que trabajan en la zona de saturación. Determinar el valor de la caída de tensión en la reactancia de dispersión síncrona Xs la misma que está conformada por: - La reactancia de dispersión Xσ - La reactancia de la reacción de la armadura Xr.a TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M FIG. 2 DISPOSICION DE LOS EQUIPOS EN LOS ENSAYOS PARA LA OBTENCION DEL TRIANGULO DE POTIER TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 2 FIG. 3 DETERMINACION DE LA REACTANCIA DE POTIER. Eo V Eo Eo Er jXoI V CC Er XoIXoI V Er V DD V BB ío de vac e Curva d A reactiva A C' C I -Fi Fe Curva Fi a) Diagrama fasorial 0 B' 0 Ie o Fe Fi A' M Fi F Ie o Fe A’ vacio M F B’b) Curvas Fi de yFicon carga reactiva b) Curvas de vacío y con carga reactiva TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M • Significado de los segmentos en la curva: • • • • • • Fe: OF (Fuerza magnetomotriz de excitación). Fi : MF (Fuerza magnetomotriz del inducido). Fr : OM (F.m.m resultante). Er : MC (F.e.m resultante por fase). Xσ I: CB (Valor de la caída en la dispersión). A’ : Pto definido en la abscisa de excitación. OA’ segmento necesario para que circule la corriente de plena carga en cortocircuito. TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 3 OA’= Corriente que produce la corriente nominal de armadura, contrarresta el efecto de reacción de armadura y la reactancia de dispersión. Eo V C Er J Hp V T L A D K JA= Caída de tensión por reactancia de dispersión. B KB= Corriente de excitación que contrarresta la reactancia de dispersión. CB Xl IA C Ie o Fe 0 B’ Fi A’ M Fi F BA = Corriente de excitación que contrarresta la reacción de armadura. Característica de plena carga a F.P. atrasado Reactancia de potier: Xp CB IA TL = corriente de excitación que induce la tensión nominal antes de la 7 saturación. TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M TRIANGULO DE POTIER Cuando las MAQUINAS SINCRONAS trabajan frente a un corto circuito ó hacen frente a una falla, el INDUCTOR e INDUCIDO rebasan las tolerancias de excitación ( trabajan en la zona de saturación ). En consecuencia es necesario contar con el valor de la Xd saturada, que se utilizará unicamente en la coordinación de la protección cuando se utilizan las normas: . IEC 947 – 2. . VDE 0120 – 1. . VDE 0120 – 2 Las que desarrollan los cortocircuitos : . Cercanos al generador. . Lejanos al generador. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 4 TRIANGULO DE POTIER Consiste en la construcción de un triángulo a partir de ciertas pruebas realizadas en el laboratorio de máquinas síncronas. Se utiliza un esquema de conexiones de una máquina síncrona, teniendo como carga una XL pura ( carga inductiva pura con factor de potencia cero ). Esta prueba es muy especial, si lo realiza, tener cuidado con la protección del alternador. Para comprender mejor la obtencion de la gráfica de Potier; es necesario conocer las caracteristicas del factor de potencia cero y de circuito abierto. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M DETERMINACION GRAFICA DEL TRIANGULO DE POTIER La fmm de la reacción de la armadura esta representada entonces por la base ab y la caída de la reactancia sincrónica por la altura ac del triángulo abc conocido como triángulo de Potier. Para una corriente de armadura dada la base y altura de este triángulo son prácticamente constantes cuando el efecto del flujo de dispersión del campo es pequeño y si el vértice c se mueve a lo largo de la característica de circuito abierto, el vértice b indica la característica de factor potencia cero. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 5 Características de circuito abierto y factor de potencia cero de una máquina sincrónica En la figura anterior : F es la corriente del campo, A es la componente de la corriente de campo requerida para vencer la fmm de la reacción de armadura y R es la componente de la corriente del campo que produce el encadenamiento de flujo resultante, que a su vez influye en el voltaje del entrehierro. El triángulo de Potier abc, de la figura, presenta la altura H y se plantea la siguiente expresión : X = H / ( 3 . In ) Donde : X reactancia saturada H altura del triángulo. In corriente nominal. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 6 PRUEBAS PARA DETERMINAR EL EL TRIANGULO DE POTIER Las pruebas para determinar el triangulo de Potier están resumidas a continuación : - Características de circuito abierto. - Corriente de campo requerida para dar una corriente teniendo el factor de potencia cero. - Corriente de campo para obtener la corriente nominal o la misma fracción conocida a factor de potencia cero y tensión nominal en terminales. ( La tensión debe ser la suficiente para requerir una apreciable saturación magnética del núcleo). TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M REACTANCIA DE POTIER El efecto del flujo de dispersión del campo en combinación con el flujo de dispersión de la armadura da lugar a una reactancia de dispersión equivalente Xp conocida como la reactancia de Potier, que es mayor que la reactancia de dispersión de la armadura X1. En el caso de maquinas de rotor cilíndrico, la reactancia de Potier no es mucho mayor que la reactancia de dispersión, una relación típica de Xp/X1 = 1.3 y en muchos casos Xp se asume igual a X1. Sin embargo el flujo de dispersión del campo en máquinas de polos salientes es considerable, particularmente en aquellas que tengan polos grandes y delgados, y la reactancia de Potier puede ser tanto como tres veces la reactancia de dispersión de la armadura. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 7 PROBLEMAS: Un generador síncrono de rotor cilindrico Marca ABB es movido por una turbina a gas de 96 Mw, el estator esta conectado en Y y sus datos de placa proporcionados por el fabricante son: Sn = 120 Mva. FPn = 0.8 In = 5020 A. RPMs = 3600 Pn = Vn = F = p = 96 Mw 13.8 Kv. 60 Hz. 02 El valor de las reactancias son : Xd = 227.3 % Xd” = 14.8 % Xo = 8.7 % Xd’ = 24.2 %. X2 = 20.3 % En estas condiciones se le solicita : OPERACION Y CAPABILIDAD ING. HUBER MURILLO M continuacion: 1.- Dibuje las curvas de capacidad del generador indicando sus respectivos límites. Considerar que el generador opera como máximo a una P = 0.925 Pnominal. 2.- Pude el generador trabajar satisfactoriamente con una corriente de 4850 A con un FP = 0.5 en retrazo ? 3.- Cual es la potencia máxima reactiva que puede producir este generador? 4.- Si el generador entrega 80 Mw de potencia activa. Cual es la potencia reactiva que puede entregar en forma simultanea el generador? SOLUCION: SOLUCION DOMICILIARIA OPERACION Y CAPABILIDAD ING. HUBER MURILLO M 8 EJEMPLO DE APLICACIÓN La característica de circuito abierto de un turbogenerador de dos polos, Potencia nominal =13,529 Kva, Tensión nominal = 13 800 v, Frecuencia = 60 Hz, Número de fases = 3 fases. Los datos obtenidos de la prueba de factor de potencia cero son las siguientes: Línea-a-Línea (Volts) 13800 13 800 Corriente de Campo (Amps) 168 ( vacio ) 368 ( FP = 0 ) Dibuje el triangulo de Potier y determine la reactancia de Potier Xp y la componente de la corriente de campo A para vencer la fmm de la reacción de armadura. TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M SOLUCION I = Potencia Nominal / 3 x Tensión Nominal Remplazando valores: I = 13 529 / 3 x 13 800 = 566 Amp. La distancia 0d es de 168 Amp. = A, que es la componente de la corriente de campo para vencer la fmm de la reacción de armadura. Del gráfico hallamos H = 15,800 – 13800 = 2000 React. Potier (Xp)= 2000 /3 x 566 = 2.04 Ohms ( Son valores base ) Pero Xp en por unidad: Xp = 2000 / 13800 = 0.145 TIRANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 9 H TRIANGULO DE POTIER 168 A Ejemplo de aplicación: Un alternador trifásico conectado en estrella de 45 kVA, 220V, ha dado los siguientes resultados en unos ensayos de vacío y f.d.p nulo: Determinar: •Reactancia de dispersión por fase. . •Corriente de excitación equivalente a la reacción de inducido a plena carga. •Corriente de excitación necesaria en el inductor para desarrollar la plena carga a la tensión asignada con fdp 0.8 inductivo. •Regulación de tensión. Nota: Despreciar la resistencia del inducido Tensión de línea Iexc. en circuito abierto Iexc. con fdp cero y corriente asignada TRIANGULO DE POTIER 0 120 200 220 240 260 300 0 1.44 2.6 3 3.5 4.1 5.9 2.2 3.64 5.2 5.8 6.56 7.5 - ING. HUBER MURILLO M 10 Solución: •En la figura .1 se muestran las curvas resultantes de los ensayos. Al construir el triangulo de Potier se obtienen los siguientes resultados: Como quiera que la corriente reactiva del ensayo fue la asignada: La reactancia de dispersión será: •La f.m.m de reacción de inducido expresada en amperios del inductor, de acuerdo con la construcción de la figura .1 , es: •Para calcular la excitación necesaria en el inductor se ha de construir el diagrama fasorial del alternador. En la figura .2 se muestra esta representación, donde se ha tomado como referencia de fases la tensión asignada simple del alternador. Los fasores correspondientes serán: TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M Figura Nº 1 TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 11 Y en consecuencia, la f.e.m resultante por fase, será: Que corresponde a un modulo de la f.e.m de línea En la curva de vacio se puede medir la f.m.m resultante que se necesita para producir Er y que corresponde a una corriente de excitación Ir = 3.65 A. En la figura .1 se muestra la composición de f.m.m.s necesaria para calcular la excitación total que requiere el inductor. De acuerdo con el teorema del coseno, se podrá escribir: Figura Nº2 TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M Ahora bien, teniendo en cuenta la composición grafica de la figura 5.25 y observando los valores fasoriales obtenidos, resulta: Y al sustituir el ángulo anterior en (1) resulta •La excitación anterior produce una f.e.m en vacio (Fig .1) de 284V, y en consecuencia la regulación tendrá un valor igual a: TRIANGULO DE POTIER ING. HUBER MURILLO M 12 OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M PUESTA EN PARALELO Para poner en paralelo un generador síncrono a una barra infinita, debe de: Previamente se debe haber verificado igualdad de secuencia de fases. Llevar la velocidad de la turbina a la velocidad síncrona. Luego cerrar el circuito de campo, e incrementar la corriente de campo (IF) hasta obtener en bornes la tensión nominal. OPERACIÓN DINÁMICA DE LAS MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE PUESTA EN PARALELO Mediante un doble voltímetro y doble frecuencímetro, verificar que las tensiones del generador y de la barra infinita sean iguales en magnitud y frecuencia. Luego cuando estén en fase (verificando en el sincronoscopio) ambas tensiones, cerrar el interruptor de potencia. OPERACIÓN DINÁMICA DE LAS MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE OPERACION EN PARALELO DE ALTERNADORES Cuando el alternador esta siendo poco exigido el rendimiento del alternador y su máquina accionante caen. Por este motivo, entre otros, es que se dimensionan los alternadores para hacerlos trabajar con un rendimiento técnicamente aceptables. Dentro de la operación del alternador donde puede ser exigido dentro de su potencia nominal y dentro de valores menores que la nominal, se practica la CONEXIÓN EN PARALELO, manteniendo un control de potecia activa y reactiva enlazados. Trabajando en paralelo, las máquinas síncronas pueden operar satisfactoriamente dentro de los parámetros permisibles. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM CONDICONES PARA LA PUESTA EN PARALELO • Deben tener igual tensión en bornes. • Que tengan la misma polaridad. • Que tengan las mismas frecuencias. • Que tenga la misma secuencia de fases. • El alternador que ingresa debe estar en vacío. • MUY IMPORTANTE • La distribución de potencia activa depende del torque accionante ( frecuencia del motor primo y es controlada en todo momento por el RAS ). • En cuanto a la corriente reactiva depende de la excitación de cada alternador ( tensión de excitación dada y controlada en todo instante por el AVR ). OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM REGULACION DE POTENCIA ACTIVA • Cuando dos alternadores operan en paralelo y se aumenta la carga, existe una reducción de sus velocidades el cual es registrada por sus respectivos RASs, los cuales deben estar interconectados para trabajar en paralelo. Los RASs son los encargados de corregir estos cambios de velocidad. • El regulador de velocidad,RAS, tiene que restablecer las velocidades de cada una de los motores primos haciendo que trabajen en forma cercana a la velocidad nominal. • La regulación de la carga MW entre los dos alternadores es determinada por las características del RAS de cada uno de los motores primos. • Dichos RAS tienen que poseer una respuesta rápida para restablecer a tiempo las variaciones de frecuencia. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM CONTROL DE VELOCIDAD ( RAS ) Regulacion de la velocidad mediante el RAS. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM REGULACION DE POTENCIA REACTIVA • La regulación de la tensión de excitación de un alternador se realiza con el AVR, quien entrega en todo momento una tensión nominal en bornes de la máquina síncrona. • Variando los niveles de tensión en bornes del alternador se logra controlar el nivel de reactivos de la carga. • Existe un módulo AVR ( regulador automatico de ten-sión ) encargado de entregar la tensión normalizada o preestablecida en los bornes del generador. • El trabajo realizado por el AVR completamente automático. • El AVR deberá garantizarnos la calidad de la tensión de la máquina síncrona. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM CURVA CARACTERISTICA DE TENSION OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM EQUIPOS NECESARIOS EN LA PUESTA EN PARALELO • • • • • • • • • • • Voltímetro con escala - Vmax 0 + Vmax. Amperímetro de escala adecuada. Vatímetro, varímetro y frecuencímetro para cada generador Secuencímetro. Sincronoscopio Juego de lámparas instaladas entre generadores y barras. Los instrumentos de medida deben ser de clase de precisión mínima 0.5. Sistemas de barras del sistema. Relé de potencia inversa. IA debidamente dimensionados. Sistema de protección según el tamaño del los generadores. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM SINCRONIZACION DE DOS GENERERADORES Cual es la particularidad de este sistema? Las lámparas se hallan prendidas ó apagadas?. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM SINCRONIZACION DE UN GENERADOR Y BUS BAR CIRCUITO DE CONTROL AISLADO OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE MILLMAN ( Aplicación de la LKC ) BUS BAR VL La fuentes E1, E2 … En ( Tensiones generadas ) puden ser baterías, celdas solares, generadores de AC ó DC. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE MILLMAN ( Aplicación de KLC ) De la siguiente figura anterior podemos deducir las siguientes ecuaciones: VL = IL ZL = ( I1 + I2 + I3 ) ZL VL = E1 - Z1 I1 = E2 - Z2 I2 = E3 - Z3 I3 .... = En - Zn In VL = [ E1 / Z1 E2 / Z2 E3 / Z3 ] / [ 1 / Z1 + 1 / Z2 + 1 / Z3 ] VL = [ E1 / Z1 E2 / Z2 E3 / Z3 ] / [ Y1 + Y2 + Y3 ] Notas : 1.- No es necesario que las corrientes entregadas a la carga sean iguales. 2.- Si es indispensable que la fuente que ingresatenga un atensión ligeramente superior a VL para que de ésta manera pueda suministrar pueda suministrar corriente a las barras. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM OPERACIÓN DE DOS GENERADORES EN PARALELO BUS BAR IL I1 Is Corriente circulante. I2 TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN De la siguiente figura anterior podemos deducir las siguientes ecuaciones: VL = IL ZL = ( I1 + I2 ) ZL VL = { ( E1 - VL ) / Z1 + ( E2 - VL ) / Z2 } ZL VL = { ( E1 / Z1 + E2 / Z2 ) ZL - VL ( 1 / Z1 + 1 / Z2 } ZL VL / ZL = { ( E1 / Z1 + E2 / Z2 ) - VL ( 1 / Z1 + 1 / Z2 } VL / ZL + VL ( 1 / Z1 + 1 / Z2 } = ( E1 / Z1 + E2 / Z2 ) OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN VL ( 1 / ZL + 1 / Z1 + 1 / Z2 } = ( E1 / Z1 + E2 / Z2 ) VL ( 1 / Zo } = Icc1 + Icc2 = Icc VL = Zo . Icc Notas : 1.- 1 / Zo es la combinación de las impedancias de los generadores y la carga. 2.- Icc1 e Icc2 son las corrientes de corto circuito de cada generador. 3.- Icc es la corriente de corto circuito total de los generadores. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN IL IL Is Ra1 Ra2 BUS BAR I1 = ( E1 - VL ) / Z1 ZL Zs1 Zs2 Xs1 I1 I2 = ( E2 - VL ) / Z2 Xs2 I2 VL Is = ( E1 - E2 ) / ( Z1 + Z2 ) IL = I1 + I2 G1 G2 VL = IL ZL Si aplicamos la KCL a la anterior y deducimos las ecuaciones: IL = I1 + I2 OPERACION EN PARALELO DE MS (1) ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN VL = E1 - Z1 I1 = E2 - Z2 I2 = ZL . IL ( 2) E1 - E2 = Z1 I1 - Z2 I2 = ZL IL E2 = E1 - Z1 I1 + Z2 I2 = ZL IL + Z2 I2 = ZL ( I1 + I2 ) + Z2 I2 E2 = ZL I1 + I2 ( Z2 + ZL ) (3) E1 = E2 - Z2 I2 + Z1 I1 = ZL IL + Z1 I1 = ZL ( I1 + I2 ) + Z1 I1 E1 = ZL I2 + I1 ( Z1 + ZL ) (4) De la ecuación ( 3 ) despejamos la corriente I2 y obtenemos: OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN I2 = ( E2 – ZL I1 ) / ( Z2 + ZL ) Reemplazando en la ecuación ( 4 ) E1 = ZL { ( E2 – ZL I1 ) / ( Z2 + ZL ) } + I1 ( Z1 + ZL ) E1 ( Z2 + ZL ) = ZL ( E2 – ZL I1 ) + I1 ( Z1 + ZL ) ( Z2 + ZL ) E1 ( Z2 + ZL ) = ZL E2 – ZL² I1 + I1 ( Z1 + ZL ) ( Z2 + ZL ) E1 ( Z2 + ZL ) = ZL E2 – ZL² I1 + I1 ( Z1 Z2 + ZL Z2 + Z1 ZL + ZL² ) E1 ( Z2 + ZL ) = ZL E2 + I1 ( Z1 Z2 + ZL Z2 + Z1 ZL ) OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN I1 = { E1Z2 + ZL ( E1 - E2 ) } / [ ZL ( Z1 + Z2 ) + Z1Z2 ] (5) En forma análoga de las ecua. ( 4 ) y ( 3 ) se hallará la corriente I 2 . I2 = { E2 Z1 + ZL ( E2 - E1 ) } / [ ZL ( Z1 + Z2 ) + Z1 Z2 ] (6) Para encontrar la corriente total IL = I1 + I2 reemplamos y tenemos: IL = { E1 Z2 + E2 Z1 } / [ ZL ( Z1 + Z2 ) + Z1 Z2 ] (7) El voltaje en la carga VL = IL ZL haciendo los reemplazos tenemos: VL = { E1.Z2 + E2 Z1 } / [ ( Z1.Z2 / ZL ) + Z1 + Z2 ] OPERACION EN PARALELO DE MS (8) ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN Ejemplo.- Hallar las corrientes de corto circuito Icc1, Icc2, Icc, VL, Zo sabiendo que E1 adelanta a E2 en 10°. Las FEM son de 1000 voltios por fase. Las impedancias son : Z1 = 0.1 + j 2.0 , Z2 = 2 + j 3.2 , y ZL = 2 + j 1.0 . Solución Z1 = 2.002 87.14 E1 = 1000 0° Z2 = 3.774 58° E2 = 1000 10° ZL = 2.236 26.57° E2 L10° E1 L0° 1 / Zo = ( 1 / ZL + 1 / Z1 + 1 / Z2 } OPERACION EN PARALELO DE MS Zo = 0.923 58.52° ING. HUBER MURILLO M HM TEOREMA DE KOUWENHOVEN AND PULLEN Icc = ( E1 / Z1 + E2 / Z2 ) = Icc1 + Icc2 = 499.5 -87.14° + 265 - 68° = 754.75 -80.52° Amp. VL = Icc Zo = 754.75 -80.52° x 0.923 58.52° = 696.6 -22° Volt. Verificar los resultados. Resolver cuando E2 se halla con 30° de retrazo respecto a E1. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM CARACTERÍSTICAS DEL G.S. Y UNA BARRA INFINITA Una serie de máquinas síncronas que alimentan un sistema con caractrísticas constantes como son por ejemplo: Tensión y frecuencia. · Las fuentes naturales que utilizan pueden ser diferentes entre ellas están: Hidroeléctricas, a gas, eólicas, mareomotrices, térmicas, etc. · La masa inercial de una barra infinita es lo suficientemente grande que se asume que es infinita. · El dimensionamiento de la barra infinita esta en función de las cargas del sistema. · El generador que ingresa al sistema, tendrá la función de reforzarlo aportando una carga limitada de P y Q respectivamente. · Las potencias que definen una barra infinita son expresadas en MW y Mvar. · Las potencias de los generadores se expresan en KW y Kvar. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M HM GENERADOR SINCRONO Y UNA BARRA INFINITA Barras Infinita I1 IL Ra1 zL Xs1 Zs1 VL I1 G1 OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M ACOPLAMIENTO EN PARALELO DE G.S. El SEP se interconecta extensamente para ofrecer una economía y confiabilidad de operación. Para la interconexión se requieren generadores sincrónicos operando en paralelo entre sí en un centro de generación y estar conectado en paralelo por medio de transformadores y línea de trasmisión con otras plantas generadoras, diseminadas sobre un área que es prácticamente la nación. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M ¿ PORQUE SE DEBEN HACER FUNCIONAR EN PARALELO LOS GENERADORES SINCRONOS ? • Varios generadores pueden alimentar a una mayor carga. • Teniendo varios generadores se aumenta la comfiabilidad de los SEPs, puesto que si alguno de ellos falla, no se suspende totalmente la potencia a la carga. • El tener varios generadores funcionando en paralelo permite que se pueda desconectar uno o mas de ellos, y los demás pararlo para su mantenimiento. • Se consigue la utilización máxima de la energía hidráulica. • Surge la posibilitada de distribuir mas racionalmente la carga entre las centrales a fin de elevar el índice económicos de todo el sistema energético. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M Si un generador se instala en paralelo con una red importante este seguirá el comportamiento de la red. Si conectamos un generador importante entonces el sistema dependerá mucho de este. Los generadores sincronos trabajan normalmente en paralelo alimentando un determinado sistema de potencia que puede estar interconectado con otros sistemas. En tal caso la frecuencia es fija y la tensión en las barras de la central también debe considerarse fija. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M • Esto se debe naturalmente a la gran potencia e inercia mecánica del sistema comparado con la del generador. • Ahora bien un generador sincrono puede considerarse en general como un sistema con dos entradas; - El torque mecánico Tm aplicado a su eje por el MP. - La corriente de excitación Ie. • Además tiene cuatro salidas ( R, S, T y N ). GS OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M GENERADOR EN PARALELO A UNA BARRA INFINITA Si se incrementa el ingreso de potencia mecánica (PMec) de entrada en la turbina, se incrementa la potencia generada (PG), manteniéndose la velocidad. BARRA INFINITA f (Hz) f´0 =62 f0 =60,5 P (kW) OPERACIÓN DINÁMICA DE LAS MAQUINAS SINCRONAS PG1 GENERADOR PMec-1 < PMec-2 PMec-2 PMec-1 PG2 P (kW) HUBER MURILLO MANRIQUE GENERADOR EN PARALELO A UNA BARRA INFINITA Si se incrementa la corriente de excitación (IF), la tensión no se incrementa, pero si la potencia reactiva generada (QG). BARRA INFINITA 220 KV U (kV) GENERADOR EGP2 IF1 < IF2 EGP1 IF2 IF1 Q (kVAR) OPERACIÓN DINÁMICA DE LAS MAQUINAS SINCRONAS QG1 QG2 Q (kVAR) HUBER MURILLO MANRIQUE SINCRONIZACION DE G.S DE ALTA TENSION POR MEDIO DE UN SINCRONOSCOPIO OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M IMPORTANTE • El sincronoscopio de lámparas nos indica que si no están en fases iguales las lámparas se van a prender y apagar alternadamente. • Cuando estén en fase se prenden y apagan a la vez. • También se suele colocar en paralelo con una de las lámparas un voltímetro (llamado voltímetro de cero) cuya lectura al pasar por cero indican realmente cual debe ser el instante en que se debe realizar el acoplamiento. • Para acoplar en paralelo los generadores síncronos se necesita de gran atención , serenidad , calma, y suficientes conocimientos por parte de los operarios . • Cuando una central esté provista de dispositivos para el acoplo en paralelo se necesitarían también la instalación de un acoplamiento manual , en caso fallara el acoplamiento automático. OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M REFERENCIAS CRAMACO® ALTERNATORS. Romão Latino América Cial Ltda.Monte Carlo - SP – BRAZIL. Indústria Comercio Importação exportação de Máquinas POLIMAQ Ltda. SIEMENS. Etc. “Seminario Profesional de ´Máquinas Eléctricas en la Industria” Ing. Guillermo Cox Zapater “Generadores Síncronos” Ing. Huber Murillo M. “Máquinas Síncronas Trifásicas de Gran Porte” Ing. Huber Murillo M. Máquinas electromecanicas y electromagneticas Leander W. Matsh. editorial Alfaomega edicion – 1990 Metrologia aplicada Jhon Haston Editorial – Nuevo mundo edicion - 1987 OPERACION EN PARALELO DE MS ING. HUBER MURILLO M ME III 07 EFECTOS DE SATURACION Y RCC EN MAQUINAS SINCRONAS. EFECTO DE LA SATURACIÓN SOBRE LA REACTANCIA SÍNCRONA (XS) El valor de la Xs es constante en la parte lineal de la característica de magnetización de la máquina.Sin embargo, cuando la máquina tiende a saturarse su reactancia disminuye. Con las características de vacío y cortocircuito puede obtenerse la reactancia síncrona (en forma aproximada). EGP EGP UN 3 ICC XS ICC IN O B D IF Fig. Reactancia síncrona. RAZÓN DE CORTOCIRCUITO (RCC) Se define como: RCC IOB (Corrientede campo que permite obtenerla UN en vacío) IOD (Corrientede campo que permite obtenerla IN en cortocircuito en forma práctica (teniendo en cuenta la saturación) podemos decir: XS l ( p.u.) RCC Nota: Por razones económicas las máquinas se proyectan con valores de RCC pequeña. Para máquinas modernas RCC 0,55 La relación de cortocircuito (RCC) es una medida del tamaño físico de la máquina síncrona, su factor de potencia y velocidad. Cabe indicar que la reactancia síncrona (XS) para un determinado valor de carga es afectado por las condiciones de saturación existentes, mientras que la relación de cortocircuito (Rcc) es un valor constante que está definido a la tensión nominal. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME III 07 EFECTOS DE SATURACION Y RCC EN MAQUINAS SINCRONAS. EFECTO DE LA (RCC) EN EL COMPORTAMIENTO DEL GENERADOR La relación de corto circuito (Rcc) afecta al comportamiento de los generadores, principalmente en los siguientes aspectos: En En En En En la la la la la regulación de tensión estabilidad de la máquina operación en paralelo corriente de cortocircuito autoexcitación En la Regulación de Tensión : Tener una baja RCC equivale a tener una elevada reactancia síncrona (Xs), por lo tanto su regulación de tensión es grande, es decir, pobre. En la Estabilidad de la Máquina : Como mencionamos, tener una baja RCC significa un alto valor de Xs, por lo tanto el límite de estabilidad es bajo, dado que este es inversamente proporcional a la Xs. En la operación en Paralelo : Tener una baja Rcc dificulta la operación en paralelo de generadores, debido al que el alto valor de Xs reduce la potencia de sincronización; que es la que mantiene el sincronismo entre las máquinas. Es más esta potencia de sincronización se reduce más aún cuando la interconexión es a través de una línea cuya impedancia se suma a las reacciones de los generadores. Esto hace que las máquinas sean más sensibles a las variaciones de carga y de tensión. En la Corriente de Cortocircuito : Evidentemente tener reducido valor de RCC significa tener un menor nivel de corriente de cortocircuito (ICC), debido a la mayor reactancia síncrona (Xs). Cabe indicar que la corriente de cortocircuito (ICC) se reduce rápidamente producto de la desmagnetización del generador, puesto que en la condición de cortocircuito prácticamente el generador alimenta a un circuito inductivo puro. Por lo tanto, para reducir el nivel de cortocircuito no es necesario tener una alta reactancia síncrona. En la Autoexcitación : Las máquinas que alimentan líneas de transmisión (L.T.), largas no se deben de diseñar con valores bajos de (RCC) y altos valores de Xs, debido a que se pueden presentar sobretensiones producto de la excitación debido al efecto capacitivo de la línea de transmisión. Pero la tendencia es a construir generadores síncronos con bajo valor de (RCC) debido a los sistemas de excitación modernos son fácilmente controlables y de respuesta rápida EJEMPLO 1 Un alternador de rotor cilíndrico, trifásico, conectado en estrella, de 11 kV, 50 MVA y 60 Hz necesitó una corriente de campo de 250 A para generar 11 kV en la prueba de circuito abierto. Una prueba en cortocircuito dio una corriente a plena carga cuando la corriente de campo era de 370. Despreciando la saturación y la resistencia del estator, determinar: El ángulo de potencia La regulación de tensión La potencia desarrollada cuando la máquina entrega corriente a plena carga a la tensión nominal y con un factor de potencia en atraso de 0.8 Alternador de rotor cilíndrico, 3, conexión Y, 11 kV, 50 MVA, 60 Hz MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME III 07 EFECTOS DE SATURACION Y RCC EN MAQUINAS SINCRONAS. EGP(V) 11000 3 IN IX 0 IN 50MVA 3 11KV IN 2624,32A 250 2624.32 370 IX 250 370 IX 1773,119 A IF(A) 11000 3 XS 1173,19 X s 3.58 Hallar el ángulo cunado Cos Φ = 0.8 inductivo. Egf ² = (U Cos Φ)² + (U Sen Φ + Ia Xs)² = 14,153 Votios P = 50 Mva x 0.8 = 40 Mva. = (3x14153 x 11/1.7321) Sen / 3.58 Sen = 0.53 = 32.1° La regulación = {(14153 – 11000/1.7321) / 11000/1.7321 } x 100 = 122.85 % La potencia entregada es 40 Mva. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 MEIII - 08 SELECCION DE MAQUINAS SINCRONAS SELECCIÓN DE MAQUINAS SINCRONAS 1.- CARACTERISTICAS NOMINALES Es la potencia nominal que un alternador puede entregar, dentro de sus características nominales y en régimen continuo. Este concepto, de potencia nominal, esta íntimamente ligado a la elevación de temperatura de los arrollamientos. Sabemos que el alternador puede accionar cargas que están por encima de su potencia nominal hasta alcanzar el límite de estabilidad. Si los alternadores entregan una potencia mayor de la que fue proyectado en este caso el calentamiento normal de los arrollamientos será sobrepasado disminuyendo la vida del alternador o en muchos casos llegando a quemarse. Para poder seleccionar adecuadamente los alternadores es conveniente tener en cuenta las características de funcionamiento en forma clara, precisa y correcta: a.b.c.d.e.f.g.h.i.j.- Potencia nominal KVA. Factor de potencia Cos fi. Número de polos. Número de fases. Frecuencia (Hz) Temperatura ambiente °C. Altitud (msnm) Protección térmica. Tensión de armadura (DC Votios). Tipo de excitación. . Sistema sin escobillas. . Sistema con excitatriz estática. k.- Régimen de servicio y la descripción del ciclo de trabajo. m.- Grado de protección de la máquina. p.- Tipo de aplicación (industrial, naval, entre otras). q.- Forma constructiva. r.- Características de la carga. s.- Precisión de la regulación. t.- Rango de ajuste de tensión. u.- Tipos de regulación: tensión constante y/o tensión y frecuencia constante. v.- Momento de inercia GD² 2.- CALCULOS DE LA REACTANCIA (Xd’) Cuando se trata de utilizar dos o mas generadores, la reactancia transitoria equivalente se calcula con la siguiente expresión: Ig total -------------Xd’ total Donde: Ig total Siendo: Ig 1 = ---------- + Xd’1 Ig 2 ---------- + .......... Xd’ 2 Ig n ----------Xd‘ n = Ig1 + Ig2 + ............. + Ig n Ig total = Corriente total de los generadores. Ig 1.. n = Corrientes de los generadores conectados en paralelo. Xd ’ total = Reactancia transitoria total conectados en paralelo. Xd ’ 1... n = Reactancia transitoria de los generadores 1 .... n. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 1 MEIII - 08 SELECCION DE MAQUINAS SINCRONAS CONVERSION DE REACTANCIAS Resulta muy familiar encontrar las reactancias de las máquinas dado en pu. Como referencia definimos la reactancia nominal como: Xn = Un / (3 . In) Ohmios. Luego la reactancia estará referida a los valores nominales del alternador, siendo ésta la reactancia base para el cálculo de los valores en p.u. X = Xa / Xn pu Si la misma máquina fuera utilizada para un número mayor de RPM, cambiándose la frecuencia, tensión y potencia la reactancia de la máquina se modifica conforme la siguiente expresión: X´ 2 = X´1 (SN2 / SN1) (F2 / F1) (UN1 / UN2) 2 Donde: X´ 2 , X´ 1 SN2, SN1 F2 , F1 UN1 y UN2 = = = = Reactancias nueva y antigua respectivamente. Potencias nueva y antigua respectivamente. Frecuencias nueva y antigua. Son las tensiones nueva y antigua. Los fabricantes ponen a disposición del usuario sus catálogos, y manuales técnicos donde nos recomiendan que las posibles alteraciones en las rotaciones pueden darse variando la frecuencia de 50 a 60 Hz. La variación de tensión será para una tensión menor y proporcionalmente a la frecuencia. En el caso de la variación de la tensión para menos deberá ser reducido también proporcionalmente la frecuencia. Ejemplo.- Dado un alternador de 640 KVA, 380 Voltios, 50 Hz. Luego el alternador es alterado para trabajar a 60 Hz. y abastecer 740 KVA. a 440 Voltios. Para 50 Hz. y 640 KVA la reactancia transitoria es de Xd' = 21%. Cual será la reactancia transitoria para la nueva condición de accionamiento?. Xd' (60Hz) = Xd' (50Hz) (60 / 50) (740 / 640) (380 / 440) Xd' (60Hz) = 21 x 1.035 = 21.7 %. 2 3.- CALCULO DE LA CORRIENTE DE LOS GENERADORES Ig = Kva / 3 x V nominal Notas importantes : 1.- Las reactancias Xd ‘ son utilizados únicamente para la selección de alternadores ( en el cálculo de caída de tensión al arrancar motores asíncronos ). 2.- Las reactancias Xd “ pueden ser utilizados para la selección de los interruptores automáticos y ó estudios de cortocircuito. 3.- Siempre Xd’ > Xd’’ 4.- CAIDA DE TENSIÓN DURANTE EL ARRANQUE DE MOTORES Al aplicar una carga al alternador tenemos súbitamente una caída de tensión que depende de: . La reactancia del alternador. . La corriente de la carga en el arranque. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 2 MEIII - 08 SELECCION DE MAQUINAS SINCRONAS . Cos de la carga. . Tipo de regulación (AVR) del alternador. Los mayores problemas de caída de tensión y su inmediata recuperación ocurre en el arranque de motores de inducción. Durante el arranque de los motores de inducción el factor de potencia es del orden de : 0.25 .... 0.35 , y para facilitar el cálculo hacemos los siguientes ajustes: . . . El Cos sea igual a cero. ( carga inductiva pura ) Despreciamos la impedancia de los cables de alimentación, dimensionados para V < 2.5 %. Despreciamos la resistencia interna del alternador. Con estas simplificaciones obtenemos la siguiente expresión : V = E . [ Xg / (Xg + Xm) ] Donde : U = Caída de tensión. Xm y Xg son las reactancias del motor y generador en pu. E es la tensión interna del generador. En función de la variación de la carga las reactancias del alternador varían con el tiempo (Xd'', Xd' y Xd conforme las constantes de tiempo propias). El cálculo de la caída de tensión se hace complejo si consideramos la variación de la reac-tancia con el tiempo. Entonces la ecuación de la caída de tensión en su forma genérica para cualquier valor de IP / IN del alternador es válido la siguiente relación: V ( % ) = { Xd’ ( IP / Ign ) / [ 1 + Xd’ ( IP / Ign ) ] } x 100 20 % Donde: Xd’ IP Ign = Reactancia transitoria del generador. = Corriente de arranque del motor. = Corriente nominal del generador. CONTRIBUCIÓN DE LAS DEMÁS CARGAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Los sistemas eléctricos están conformados por cargas diversas, encontrándose entre ellas los motores de inducción. Cuando se tiene que poner en funcionamiento dos ó más motores asíncronos trifásicos se recomienda proceder como sigue: . Se arranca el primero, que debe ser el más grande. . Cuando se arranca el segundo se tiene que adicionar la contribución y/o aporte del primero en el momento de su arranque y así sucesivamente. Ip ---------- = Ign I p (motor que arranca) ---------------------------------- + I1 carga + I 2 carga + .... In carga. Igt Donde: I1n carga = Contribución de las cargas 1. A = I1.In (carga del motor aportante) Es un incremento. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 3 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS INCREMENTOS DE TENSION ( DV ) VS LOS INCREMENTOS DE CORRIENTE ( DI ) INC REMENTOS D E CORRIEN TE ( DI ) 180 160 140 120 100 DI 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 INCREMENTOS DE TENSION ( DV ) I1 carga = A / Ign. ( pu) Se calcula la caída de tensión V con este valor ubicado en el eje de las x, se ingresa al gráfico (V vs I) y se halla I. I1 carga + I2 carga +.... + In carga Contribución de las cargas 1 ... n. Teniendo en cuenta que las cargas mas pesadas están constituidas por los motores de inducción es que resulta necesario conocer sus características de funcionamiento. Para realizarlo se recomienda seguir el procedimiento que a continuación presentamos: Hacer un cuadro con las características que se indican: HP 40 60 75 - KW 30 45 55 Tabla 1.- Características de los motores trifásicos In ( Amp ) Ip / In Ip ( Amp ) # polos 98 8.7 853 4 148 7.3 1080 4 180 7.4 1332 4 Vn ( Vol.) 220 220 220 Elegir el tipo de arranque a utilizarse para poner en funcionamiento a los motores. Tipo arranque Directo Estrella – triángulo Autotransformador Part - winding Especial soft - starter - IP 54 54 54 Aplicación Motores pequeños Medianos > 30 Kw Grandes > 150 Kw Especiales para compresores Todos Calcular y /o medir el nivel de tensión en el momento del arranque ( V ) y compararlo con la tensión nominal que se debería utilizar en este tipo de arranque (Vn). A contitinuación llevar (V / Vn) al esquema figura K1 vs V/Vn y encontraremos K1. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 4 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS K1 es el factor de reducción de corriente. ( Ver factores de corrección ) Hacer el cálculo de la caída de tensión en el arranque, utilizando la ecuación sgte. Donde: V = Caída de tensión durante el periodo del arranque. Xd ’ = Reactancia transitoria correspondiente en el arranque. Ip = Es la corriente de arranque y/o partida de los motores. Ign = Es la corriente de nominal de los motores. FACTORES DE CORRECCION DE : CORRIENTE ( K1 ) Y TORQUE ( K2 ) EN FUNCION DE LA TENSION 1.2 FACTORES K1 Y K2 1 0.8 K1 0.6 K2 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 TENSION APLICADA / TENSION NOMINAL ( V / V nom inal ) 5.- SELECCIÓN DE MAQUINAS SINCRONAS Teniendo en cuenta la diversidad de características de funcionamiento de las cargas y de las propias máquinas síncronas nos encontramos con los siguientes procedimientos para la selección y son las que presentamos a continuación: 5.1.- Potencia del alternador en función de las fuentes consumidoras.- Para la determinación del tamaño de la máquina debemos conocer la potencia aparente (S). S = 3 . VL . IL Donde: S = Es la potencia aparente en Voltios amperios (V.A). UL = Es la tensión de línea en Voltios (V). IL = Es la corriente de línea en Amperios (A). En los catálogos la potencia aparente es dado en KVA siendo válido para factores de potencia entre 1 y 0.8. Esto implica que para seleccionar el alternador debe ser conocido el Cos de la carga. Por tanto si un alternador es conectado a cargas cuyos factores de potencia son diferentes, es preciso averiguar antes cuales son los componentes de potencia activa y reactiva, para luego determinar la potencia aparente total. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 5 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS S = { ( P1 + P2 .. + Pn ) 2 2 + ( Q1 + Q2 .. + Qn ) } ½ Donde: Pn = Componente de potencia activa del consumidor. Qn = Componente de potencia reactiva del consumidor. Por tanto: Cos = (P/S) INFLUENCIA DEL FACTOR DE POTENCIA Si existe necesidad de calcular la caída de tensión para Cos diferente de cero debemos utilizar este gráfico. FACTOR DE POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS FACTOR DE POTENCIA ( % ) 120 100 80 60 COSFI 40 20 0 0 20 40 60 POTENCIA 80 100 120 ( % ) 5.2.- Potencia del alternador en función de la potencia del motor primo.- Muchas veces no es posible conocer la potencia exacta de las fuentes consumidoras (cargas del sistema), en este caso la potencia del alternador es determinada a partir de la potencia mecánica (motor primo), cuyo factor de potencia puede adoptarse como 0.8. De la potencia útil del motor primo disminuimos las pérdidas del alternador para obtener la potencia activa que se pone a disposición en los bornes del alternador. PG = Pmotor primo . EFG KW. Donde: PG = PM = EF( G ) = Potencia del generador en KW. Potencia del motor primo ó accionante en KW. Rendimiento del generador en (%). Tener en consideración el rendimiento de los alternadores indicados en los catálogos para factores de potencia de 1 a 0.8. Con ésta información podemos decir: S = PG / Cos = {Pmotor primo . EFG } / Cos 6.- APLICACIÓN DE LA METODOLOGIA Ejemplo N° 1.- Seleccionar un alternador para accionar motor de 5CV 4 polos 380 Voltios teniendo : Ip / In = 7.1, Ip = 61.4 A. , In = 8.65 A. Caída de tensión admisible 20% MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 6 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS TIPO DESCRIPCION GENERAL DKBH Máquina trifásica sin escobillas con excitatriz auxiliar y regulador electrónico de tensión. DKBL Máquina trifásica sin escobillas con regulador compuesto. DBL Máquina trifásica sin escobillas con excitación independiente. DKL Máquina trifásica con escobillas con regulador compuesto. DL Máquina trifásica con escobillas con excitación independient. EKL Máquina monofásica sin escobillas con con regulador compuesto. EL Máquina monofásica sin escobillas sin regulador compuesto. DBMH Motor síncrono sin escobillas con disco de control de excitación ALTERNADORES SINCRONOS TRIFASICOS, 380 Voltios, 60 Hz , 04 polos, 1800 RPM, Cos 0.8 , Tamb. 40 °C. NORMA VDE- 530 TIPO POTENCIA GENERADA POTENCIA MOTOR PRIMO KVA KW KW CV 50% 75% 100% 50% 75% 100% EFICIENCIA ( % ) COS = 0.8 HMM COS = 1 Xd” Xd’ (%) (%) J Kgm² G Kg 163/04 14 11 16 21 84 83 82 87 87 86 10 15 0.11 155 165/04 20 16 22 30 85 85 84 88 88 84 9.0 14 0.12 180 167/04 25 20 27 36 86 86 85 89 89 88 8.0 13 0.14 210 168/04 30 24 32 43 86 87 86 89 90 89 6.0 0.16 230 11 a.- Alternador tipo DKBH ( con escobillas ) 163 / 04, 14 KVA , Xd' = 15%, 380 Voltios. La corriente del alternador es: Ig = 14,000/3x380 = 21.3 Amp. Ip / Ig V = 61.4 / 21.3 = 2.8826 Xd' . Ip / In 0.15 x 2.8826 = ------------------------- = ---------------------------- = 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.15 x 2.8826 30.18% Muy alto b.- Luego escogemos otro alternador tipo 167/04, 25 KVA Xd' = 13% 380 Voltios. La corriente del nuevo alternador: Ig = 25,000 / 3 x 380 = 38 Amp. Ip / Ig V = = 61.4 / 38 = 1.6158 Xd' . Ip / In ------------------------ = 1 + Xd' . Ip / In DV = 17.36%. 0.13 x 1.6158 ------------------------------ = 1 + 0.13 x 1.6158 Luego escogemos este alternador. 17.36% PERO ES MUY GRANDE c.- Elegir otra alternativa. ARRANQUE ESTRELLA - TRIANGULO. Arrancamos el motor con tensión reducida, arranque estrella triángulo. Escogemos el alternador de (a) 163 / 04, 14 KVA , Xd' = 15%, 380 Voltios, 60 Hz . La corriente del alternador: Ig = 14,000 / 3 x 380 = 21.3 Amp. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 7 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS La nueva corriente de arranque es: Para arranque Y - K1 = 0.47 FACTORES DE CORRECCION DE : CORRIENTE ( K1 ) Y TORQUE ( K2 ) EN FUNCION DE LA TENSION 1.2 FACTORES K1 Y K2 1 0.8 K1 0.6 K2 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 TENSION APLICADA / TENSION NOMINAL ( V / V nom inal ) Para hallar K1, poner atención y seguir las explicaciones del profesor Ip = K1 . 61.4 / 21.3 = Ip = V Ip / Ig 0.47 x 61.4 = 28.87 Amperios = 28.87 / 21.3 = 1.35 Xd' . Ip / In 0.15 x 1.5854 = ------------------------- = ---------------------------- = 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.15 x 1.5854 V = 19.21 %. 19.21 % Aceptable . Ejemplo N° 2.- Hacer la selección de un alternador para el cuadro siguiente de cargas: a.- Los motores utilizados trabajan en 380 Voltios, 60 Hz y sus demás características son las siguientes: La secuencia de arranque es : 125,25 y 75 CV. b.- Al seleccionar un generador síncrono, escogemos el Generador tipo DKBH 287/04 290 KVA. Xd’ = 17.19%, 380 Voltios. Este tipo es aprox. igual al IEC frame 315LI35. c.- Condiciones de arranque de los motores: Utilizar autotransformadores. I .- Primero parte el motor 125 CV utilizando un arranque con tap a 65%. II.- Arranque del motor de 75 CV (arranque con tap al 65%), considerando que los motores de 125 y 25 CV ya están en funcionamiento. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 8 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Tabla 2.1.- Potencias de las fuentes consumidoras Carga CV Cos EF(%) P(KW) Pin(KW) S ( KVA) Q(KVAR) Motor 125 0.86 90 92 102 118.2 61 Motor 75 0.90 89 55.2 62.0 Motor 25 0.85 92 18.5 20 Pin ( Kw ) total = 184 Q ( Kavar ) total = 103.3 68.9 23.5 30 12.3 S ( Kva ) = 211. L 29.31° Tabla 2.2..- Características de los motores trifásicos marca WEG. KW In ( Amp ) Ip / In Ip ( Amp ) # polos IP Vn ( Vol.) 90 179 7.3 1307 4 54 380 55 104 7.4 770 4 54 380 18.5 36 8.6 308 4 54 380 CV 125 75 25 Solución Calculo de la corriente del alternador: Ig = 290,000 / 3 x 380 = 440.61 Amp. (#) (#).- Calculando en bornes del alternador. I.- Arranque del motor de 125 CV .- Utilizando un arranque compensado con tap a 65%. Caída de tensión provocada por el arranque del motor de 125 CV. In = 179 Amp., Ip = 1307 Amp. Ip/In = 7.3 Utilizando llave compensadora con tap. 65% Ip = K1.1307. donde K1 es obtenido del gráfico .( K1 vs U/Un) Teniendo U/Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego: Ip (125 CV) = 0.55 x 1307 = 719 Amp. Luego: Ip (125 CV) 719 ---------------------- = ----------Ig 440.61 = Xd' Ip / Ign V = -----------------------1 + Xd' . Ip / Ign = 1.6315 0.1719 x 1.6315 ------------------------------- = 1 + 0.1719 x 1.6315 0.219 v = 22 %. Resulta siendo muy alto. Luego, dependiendo del tipo de carga, podemos cambiar el tap a 60 % esto implica que K1 = 0.5 Ip´ = K1 . Ip = 0.5 . 1307 = 653.5 Ip´ / Ig = 653.5 / 440.61 = 1.4832 Xd' Ip´ / In V = -----------------------1 + Xd' . Ip´ / In V = 20.3 %. ( 20% ) = 0.1719 x 1.4832 ------------------------------- = 1 + 0.1719 x 1.4832 Ligeramente alto. (pu) 0.203 No cumple. Entonces podemos elegir un arranque Y - . Luego V / Vn = 57.7 % MAQUINAS SINCRONAS del gráfico podemos ubicar K1 = 0.47 HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 9 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Ip´ = K1. Ip = 0.47 x 1307 = 614.3 Ip´ / Ig = 614.3 / 440.61 = 1.3942 Xd' Ip´ / In V = -----------------------1 + Xd' . Ip´ / In = 0.1719 x 1.3942 ------------------------------- = 1 + 0.1719 x 1.3942 19.33 % (Si cumple) II.- Arrancamos el motor de 25 CV.- Por el tamaño el arranque puede ser directo. III.- Arranque del motor de 75 CV .- Utilizamos un arranque compensado con tap al 65% y considerando que los motores de 125 y 25 CV ya están en funcionamiento. 1.- Arranque individual del motor de 75 CV. In = 104 Amp., Ip =770 Amp. Ip / In = 7.4 Utilizando llave compensadora con tap. 65% Ip = K1 .770. donde K1 es obtenido del gráfico (K1 vs U /Un). Teniendo U/Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego: Ip´(75 CV) = 0.55 x 770 = 423.5 Amp. Ip´ (75 CV) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612 V = Xd' . Ip´/Ign 0.1719 x 0.9612 ------------------------ = --------------------------------- = 0.1418 1 + Xd' . Ip´/Ign 1 + 0.1719 x 0.9612 V = 14.18 %. (si cumple) 2.- Contribución de los 02 motores (125 y 25 CV) al arrancar el motor de 75 CV. El proceso de calculo resulta iterativo y es como sigue: El valor admitido de caída de tensión es 15% del gráfico .. (i (%) vs V (%) ) ingresamos con la caída de tensión V = 15% ( supuesta ) y obtenemos variación de corriente para los dos motores i = 0.26. Luego acumulamos la corriente de los dos motores Motor (75 CV, In = 104 Amp. 380 Voltios). Arranque por autotransformador Ip´ ( 75 CV ) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612 Arranque (@1) Motor (125 CV, In = 179 Amp. 380 Voltios). A = i x In = 0.26 x 179 = 46.54 Amp. i ( 125 CV ) = A / Ig = 46.54 / 440.61 = 0.1056 Motor (25 CV, In = 36 Amp. 380 Voltios). Contribución (@2) A = i x In = 0.26 x 36 = 9.36 Amp. i ( 25 CV ) = A / Ig = 9.36 / 440.61 = 0.02124 Contribución (@3) @1, @2 y @3 tienen como base la corriente Ign del generador luego están en p.u. Calculo de la caída: Ip´ ------Ign = Ip´ --------- (75 CV) + i (125) + i (25) = (@1) + (@2) + (@3) Ign MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 10 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Ip´ --------- = 0.9612 + 0.1056 + 0,02124 = 1.093 Ig Xd' . Ip / In 0.1719 x 1.093 V = ----------------------- = ----------------------------------- = 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.1719 x 1.093 0.158 V = 15.8 %. Como partimos con la suposición de un V = 15% y el resultado fue 15.8 % entonces reformulamos el cálculo. Admitimos la caída de tensión de 15.8 % del gráfico obtenemos i = 0.27, luego: Motor (75 CV, In = 104 Amp. 380 Voltios). Arranque por autotransformador Ip´ (75 CV) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612 Arranque (@1) Motor ( 125 CV, In = 179 Amp. 380 Voltios ). A = i x In = 0.27 x 179 = 48.33 Amp. i ( 125 CV ) = A / Ign = 48.33 / 440.61 = 0.1097 Motor (25 CV, In = 36 Amp. 380 Voltios). Contribución (@2) A = i x In = 0.27 x 36 = 9.72 Amp. i ( 25 CV) = A / Ig = 9.72 / 440.61 = 0.0221 Contribución (@3) @1, @2 y @3 tienen como base la corriente Ign del generador luego están en p.u. Calculo de la caída: Ip´ ------Ign Ip´ --------- ( 75 CV ) + i ( 125 ) + i ( 25 ) = (@1) + (@2) + (@3) Ign = Ip´ --------- = 0.9612 + 0.1097 + 0,0221 = Ig V = Xd' . Ip / In ----------------------- = 1 + Xd' . Ip / In V = 15.8 %. 1.093 0.1719 x 1.093 ----------------------------------- = 1 + 0.1719 x 1.093 Luego V estipulado = V calculado 0.158 OK Podemos observar que la contribución de los motores ya en funcionamiento no causarán un incremento muy significativo en este caso , sobre la caída general. Ejemplo N° 3.- Calcular el alternador para poner en servicio a las cargas que se en-cuentran en la tabla siguiente: Los motores están trabajando a 440 Voltios. a.- Alternador 04 polos 450 KVA Xd' = 18%, Ig = 450,000 / 3x440 = 590.47 Amp. Motor ( 200 CV ) Ip / Ig MAQUINAS SINCRONAS = 1800 / 590.47 = 3.04842 Arranque directo. HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 11 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Carga CV Cosf EF(%) P(KW) Motor 150 0.85 90 110 Motor 200 0.85 91 150 Varias 30KVA 0.8 94 V ( 200 CV ) = Polos In(A) Ip/In(A) 4 190 1520 4 225 1800 Xd' . Ip / In 0.18 x 3.04842 ------------------------ = -------------------------------- = 35.43% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.18 x 3.04842 V = 35.43%. Muy alto. b.- Colocar 02 alternadores en paralelo 2 x DKBH 321/04 430 KVA Xd'= 19% 440 Voltios. Ig = 2 x 430,000 / 3 x 440 = 1128 Amp. Ip / Ig = 1800 / 1128 V ( 200 CV ) = Xd' . Ip / In ------------------------1 + Xd' . Ip / In V ( 200 CV ) = 23.265 %. = 1.5957 = Arranque directo. 0.19 x 1.5957 ----------------------------- = 23.265 % 1 + 0.19 x 1.5957 Muy alto. c.- Arrancar los motores con llaves compensadas con el tap a 65%. Utilizando llave com-pensadora con tap. 65% Ip = K1 .1800. donde K1 es obtenido del gráfico ..(K1 vs U/Un). Teniendo U / Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego: Ip (125 CV) = 0.55 x 1800 = 990 Amp. Ip (125 CV) / Ig = 990 / 1128 = 0.8777 Luego la caída de tensión es: V (200 CV) = Xd' . Ip / In 0.19 x 0.8777 ------------------------ = ------------------------------- = 14.29% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.19 x 0.8777 V (200 CV) = 14.29% < 20%. Ejemplo N° 4.- Suponiendo existe una planta que utiliza un alternador Tipo 225I30 / 04 Xd' = 7.5%, 100 KVA con una carga instalada de 90 KVA. De los cuales dos son motores que representan una carga de 40 KVA. La planta será ampliada con otras cargas tales como: . 20 KVA en iluminación y calentamiento. . 01 motor de 100 CV, 440 Voltios, 04 polos, In = 125 Amp. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 12 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Cargas Cosf EF(%) Carga 90 Kva 0.85 90 P(KW) Polos Motor 100 CV 4 In(A) Ip/In(A) 125 1062.5 Varias 20 Kva Ip / In = 8.5, Ip = 1062.5 Queremos seleccionar un alternador que trabaje en paralelo con el de 100 KVA. ya existente. Por tanto la caída de tensión debe ser < 20%. Ig1 = 100,000 / 3 x 440 = 131.22 Amp. Im1 = 40,000 / 3 x 440 = 52.5 Amp. Motores ya conectados Asumiendo V = 20% i = 37% (V vs i) A = i x In = 0.37 x 52.5 = 19.43 Amp. Luego el aporte de los motores ya conectados acumulan una corriente del Im1 = 19.43 A. Escogemos otro alternador 323 / 04 de 500 KVA, Xd' = 17%: Ig2 = 500,000 / 3 x 440 = Ig total = Ig1 + Ig2 783.30 ---------------Xd' . tot. = = 656.04 Amp. 783.30 Amp. 131.22 -------------13 + 656.08 ----------------17 Xd’ total = 16 % Ip / Ig = ( 1062.5 + 19.4 ) / 787.3 = 1081.9 / 787.3 = 1.3742 Xd' . Ip / In V = ----------- -------------1 + Xd' . Ip / In 0.19 x 1.3742 = --------------------------------- = 18.02% 1 + 0.19 x 1.3742 V = 18.02 %. OK < 20% Ejemplo N° 5.- En una industria debe ser instalado un grupo diessel para abastecer electricidad a sus instalaciones donde existen las siguientes fuentes consumidoras (cargas): - Iluminación 80 KVA Cosf = 0.7 - Sistemas de calefacción 152 KVA Cosf = 1.0 - 01 motor 3 trifásico WEG de 40 CV y 4 polos. IP54. - 01 motor 3 trifásico WEG de 60 CV y 4 polos. IP54. - 01 motor 3 trifásico WEG de 75 CV y 4 polos. IP54. Para la determinación de la potencia fue considerado el régimen continuo. Tener en cuenta la influencia de la partida de los motores. En los motores eléctricos generalmente se indica la potencia en el eje y para el cálculo de la potencia consumida se obtiene dividiendo la potencia en el eje entre la eficiencia o rendimiento. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 13 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Tabla 1.1.- Potencias activas, reactivas y aparentes de las fuentes consumidoras. Cos Carga EF(%) P(KW) Pin(KW) S(KVA) Q(KVAR) Iluminación 0.70 56 56 80 57.0 Calenfacion 1.00 152 152 152 0 Motor 40 CV 0.88 90 30 33.3 37.8 17.8 Motor 60 CV 0.88 91 45 49.5 56.2 26.6 Motor 75 CV 0.90 89 55 61.8 68.7 29.9 De la tabla podemos calcular la potencia aparente total del generador y será: Del valor de la potencia activa y reactiva de las fuentes consumidoras se obtiene la potencia aparente total del generador y con el factor de potencia de las cargas obtenemos los KVA de cada una de las cargas. Por ejemplo para el motor de 40 CV tenemos: Pin = { Peje ( KW ) / EF ( % ) } . 100 S = = 30 / 0.9 = 33.3 KW Pin ( KW ) / Cos Donde: S = Es la potencia aparente en Voltamperios (V.A). UL = Es la tensión de línea en Voltios (V). IL = Es la corriente de línea en Amperios (A). S = 33.3 / 0.88 = 37.8 KVA. Q = {S 2 - Pin 2 } ½ = {37.8 2 2 - 33.3 } ½ = 17.8 KVAR. De esta manera obtenemos las potencias de ingreso, potencia aparente y potencia reactiva de las demás cargas, tal como se puede encontrar en la siguiente tabla: 2 2 Stotal = {( 56 + 152 + 49.5 + 61.8 + 33.3 ) + ( 57 + 17.8 + 26.6 + 29.9 ) } ½ Stotal = 376 KVA. Por tanto el factor de potencia total será: Cos total = Ptotal / Stotal = 352.6 / 376 = 0.938 Una vez encontrado las características del alternador podemos recurrir a los catálogos WEG, tipo industrial y obtenemos el alternador DKBH 320/04-1A , 220 V de tensión cuya potencia aparente es de 380 KVA. El rendimiento del alternador a plena carga esta indicado en el catálogo como 0.93. Luego la potencia del motor de accionamiento del alternador será: PM = PG . Cos total / EF = MAQUINAS SINCRONAS 380 x 0.938 / 0.93 = 383.3 KW HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 14 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS En este ejemplo fueron analizados las condiciones estacionarias del alternador, entre tanto antes de la determinación final del tamaño de la máquina es necesaria determinar la influencia de la partida de los motores (analizado a continuación). Del catálogo de motores WEG obtenemos las características de funcionamiento de los motores que son los siguientes: Tabla 2.1.- Características de los motores trifásicos marca WEG. CV 40 60 75 KW 30 45 55 In ( Amp ) 98 148 180 Ip / In 8.7 7.3 7.4 Ip ( Amp ) 853 1080 1332 # polos 4 4 4 IP 54 54 54 Vn ( Vol.) 220 220 220 7.- INFLUENCIA DE LA CARGA INICIAL En alternadores las cargas iniciales pueden agruparse en: . Impedancia constante. . KVA. constante. . Corriente constante. La corriente del alternador reducirá proporcionalmente la tensión del alternador cuando este conectado a una carga de impedancia constante. Consecuentemente este efecto reducirá la caída de tensión y para los efectos de cálculo puede ser despreciado. Ejemplo de cargas de tipo de impedancia constante: Lámparas, calentadores, resistores, motores de inducción en vacío. Cuando se tienen cargas de tipo KVA constante frente a la reducción de tensión tenemos un incremento de la corriente, ocasionando consecuentemente un aumento de la caída de tensión. Un ejemplo de este tipo de carga son los motores de inducción con carga. La variación de la corriente en los motores de inducción con relación a la caída de tensión pueden observarse en la siguiente figura. Esta variación de corriente deberá ser adicionada a la corriente de arranque de los motores de inducción. A pesar que los factores de potencia sean diferentes, considerándose en forma pesimista iguales . Al combinar cargas de KVA constante e impedancia constante obtenemos cargas del tipo corriente constante pues el efecto es contrario con la tendencia de que se anulen. En este caso la caída de tensión no provocaría variaciones de corriente y consecuentemente no habría caída de tensión. Este tipo de cargas podemos considerarlo como la mas común, pudiendo utilizar para el cálculo de la caída de tensión la tabla de la siguiente página tabla 4.3 con la corrección de la fig.4.10. si fuese necesario. 8.- VIDA UTIL DE LAS MÁQUINAS ELECTRICAS GIRATORIAS Si no consideraríamos el desgaste de las piezas debido al uso , como son las escobillas, rodamientos y otros la vida útil de las máquinas eléctricas es determinada por los materiales aislantes utilizados. Estos materiales son afectados por muchos factores como son las vibraciones, temperatura de trabajo, ambientes corrosivos, humedad entre otros. Con un aumento de 8 a 10 grados en la temperatura los materiales aislantes reducen su vida por la mitad. Cuando hablamos de disminución de vida útil de la máquina nos estamos refiriendo alas temperaturas elevadas o cuando el aislante se quema y por consiguiente los arrollamientos son destruidos. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 15 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS Cuando hablamos de la vida útil del aislamiento, en términos de temperatura de trabajo (dentro de la región correspondiente) nos estamos refiriendo al envejecimiento gradual del aislante que se irá resecando perdiendo poco a poco el poder aislante hasta que no soporte mas tensión aplicada y se produzca el cortocircuito. La experiencia nos muestra que el aislamiento tiene una duración prácticamente ilimitada si su temperatura es mantenida debajo de sus límites permisibles. Por encima de éste límite la vida útil del aislamiento es afectada por que el material aislante se va deformando cada vez mas y mas (a medida que la temperatura es mas alta) hasta perder el poder de aislante. La vida de los aislamientos dependen mucho de los barnices utilizados en la impregnación. Las limitaciones de temperatura están referidos al punto mas caliente del aislamiento y no necesariamente al bobinado. 9.- SOBRECARGA Según las normas VDE-530 los alternadores síncronos deben abastecer 1.5 veces la carga nominal durante 15 segundos. En este caso a través del sistema de regulación se debe mantener la tensión muy próxima a la nominal. Para la utilización a bordo de navíos los alternadores deben abastecer 1.5 veces la corriente nominal durante 2 minutos. La sobrecarga momentánea en función de la corriente, para máquinas de construcción normal (según los catálogos). Tipo 01 02 03 NORNAS Sobrecarga 1.5 In 1.5 In ----- VDE - 530 - SOBRECARGA EN LAS MÁQUINAS SÍNCRONAS Tiempo ( seg ) Descripción 15 Normales con VL muy próxima a la nominal 120 Utilización a bordo de navíos. -----Alternadores normales varios ver I/In vs tiempo. TIEMPO ( SEG. ) I / IN 10 9 8 0.6 1 2 3 4 5 6 10 20 30 40 60 100 200 300 400 600 7 6 5 4 SOBRECARGA MOMENTANEA EN FUNCION DE LA CORRIENTE PARA MAQUINAS SINCRONAS DE FABRICACION NORMAL 3 2.5 2 1. 5 1 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0. 5 1 2 3 4 5 10 TIEMPO ( MINUT. ) MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 16 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS 10000 1 POTENCIA APARENTE KVA 2 5000 4000 3000 2000 LEYENDA 1000 1.- CON ESCOBILLAS 2.- SIN ESCOBILLAS 500 400 300 200 VALORES APROXIMADOS DE LOS TIEMPOS DE REGULACION VALIDOS PARA AUMENTAR O DISMINUIR LA CARGA NOMINAL 100 50 40 30 20 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 mseg. TIEMPO 10.- TIEMPO DE REGULACIÓN DE LA TENSIÓN Se entiende como tiempo de regulación al tiempo transcurrido desde el inicio de la caída de tensión hasta el momento en que la tensión entra en el intervalo de la tolerancia estacionaria. El tiempo exacto de regulación, en la práctica, depende de numerosos factores por tanto puede llevarse a cabo en forma aproximada. Por encima de las cargas nominales, es decir para incrementos mucho mayores, los tiempos pueden ser calculados proporcionalmente a la caída de tensión. 11.- COMPORTAMIENTO ESTACIONARIO DE LA TENSION Los alternadores síncronos según su circuirto electrónico regulador automático de tensión ( AVR ) se clasifican en: . . AVR independiente de la frecuencia para alternadores normales, donde U es constante. AVR con regulación proporcional a la frecuencia para alternadores especiales donde u / f es constante. En ambos tipos proporcionan, con velocidad constante, el factor de potencia del generador entre 0.8 y 1. Con una variación de tensión en estado estacionario que oscila entre ± 1% en vacio y plena carga. La caída de la velocidad (RPM) hasta un 5% no afecta el funcionamiento normal del alternador. En los modelos donde se incluye un regulador especial U/f constante donde la variación de la tensión es proporcional a las rotaciones. También tienen un potenciómetro de ajuste del valor de la referencia que se puede ser ajustada en ± 5% de la tensión nominal. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 17 MEIII - 08 SELECCION DE MÁQUINAS SINCRONAS 12.- CALCULO DE LA BOIBNA DE ATERRAMIENTO Este cálculo solo es posible realizarlo cuando estamos utilizando alternadores con la conexión interna en estrella en la cual tenemos un punto neutro accesible. Cuando conectamos cargas monofásicas en alternadores trifásicos, principalmente si estas conexiones fueran desequilibradas llegaríamos a tener una influencia considerable de la tercera armónica, consecuentemente comienza a circular la corriente de secuencia cero por el circuito. Para conseguir disminuir o eliminar este defecto debe utilizarse una reactancia limitadora conectada entre el neutro y el sistema de aterramiento del generador. Esta reactancia recibe el nombre de REACTANCIA DE PETERSON. Esta reactancia puede ser calculada de la siguiente forma: Xneutro = 0.3 Un / 3 . In Donde: Un = Tensión nominal de fase del generador. In = Corriente nominal de fase del alternador. Al diseñar esta reactancia se debe tener los siguientes cuidados: . . La bobina deberá tener características lineales hasta O.3 In. Deberá resistir termicamnete a 0.4 In. Terminales de aterramiento.- La finalidad del sistema de aterramiento es proteger a los operadores de las máquinas eléctricas y de las máquinas accionadas por las mismas, contra posibles cortocircuitos entre una parte energizada y las carcasa de la máquina. Esta protección facilita un camino para la circulación de las corrientes de fallas desvián- dolos a tierra, y por tanto, protegiendo al operador y a la misma máquina. El punto de conexión se halla ubicado en la parte inferior derecho de la caja de conexiones, el mismo que deberá conectarse a través del alimentador principal a su respectivo pozo de tierra. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 18 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS POTENCIA EN LAS MAQUINAS SINCRONAS 1.- COMPORTAMIENTO DE UN GENERADOR EN VACIO Cuando la máquina esta trabajando en vacío (a velocidad constante) la tensión del estator depende del flujo magnético generado por los polos de excitación debido a la presencia de la corriente que circula por los arrollamientos de la armadura (campo). Esto se debe a que el estator no es recorrido por ninguna corriente (IL = 0), por tanto la reacción de la armadura es nula ,cuyo efecto es alterar el flujo total. V ( Voltios ) Vn Zona de saturación Curva de vacío. Recta del entrehierro If nominal If(Amperios) Fig. N° 1.- Características de vacío La relación entre la tensión generada ( V en voltios ) y la corriente de excitación ( If en Amperios ) se le denomina característica de vacío, donde podemos observar el estado de saturación del generador síncrono sometido a ésta prueba. 2.- COMPORTAMIENTO DE UN GENERADOR SINCRONO BAJO CARGA En carga la corriente que atraviesan los conductores del estator crea un campo magnético, causando alteraciones en la intensidad y distribución del campo magnético principal, obteniéndose como resultado una distorsión del campo resultante. Esta alteración depende de: - La corriente de la carga. - Factor de potencia de la carga. En seguida presentaremos el comportamiento del alternador cuando es sometido a diversas cargas: 2.1.- Carga puramente resistiva.- Si el alternador alimenta un circuito puramente resistivo, la corriente de carga crea un campo magnético propio. El diagrama (a) muestra la alteración del flujo principal en vacío 0o en relación al flujo de reacción del estator y/o armadura 0r. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 1 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS El campo magnético inducido producido por los dos polos ( alternador bipolar ) desfasado 90° (en atrazo), en relación a los polos principales y éstos ejercen sobre los polos inducidos una fuerza contraria al movimiento, gastándose potencia mecánica para mantener al rotor girando. r o ( a ) ( b) Fig. N° 2 .- Comportamiento del flujo principal en vacío (o ) respecto al flujo producido por la reacción del circuito estatórico y/o armadura (r ). Cuando la carga es resistiva La alteración de o es pequeña, no produciendo una variación muy grande en relación al flujo resultante (). Debido a la caída de tensión en los arrollamientos de la armadura será necesario aumentar la corriente de excitación para mantener la tensión nominal. 2.2.- Carga puramente inductiva.- En este caso la corriente de carga esta desfasada 90° en atraso en relación a la tensión y el campo de reacción de armadura estará consecuen-temente en la misma dirección del campo principal y en polaridad opuesta. El efecto de la carga inductiva es desmagnetizante ver los esquemas ( a ) y ( b ). Las cargas inductivas almacenan energía que pertenece al inductor entonces lo devuelve totalmente al generador no ejerciendo ningún conjugado frenante en el inducido. Las cargas inductivas almacenan energía que pertenece al inductor entonces lo devuelve totalmente al generador no ejerciendo ningún conjugado frenante en el inducido. En este caso solo se producirá un gasto de energía mecánica para compensar las pérdidas. Debido a este efecto desmagnetizante será necesario un gran aumento de corriente de excitación para mantener la tensión nominal. o r Efecto desmagnetizante ( a ) ( b) (a) Fig. N° 3 .- Comportamiento del flujo principal en vacío (o ) respecto al flujo producido por la reacción del circuito estatórico y/o armadura (r ). Cuando la carga es inductiva. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 2 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS 2.3.- Cargas puramente capacitivas.- La corriente del estator para una carga cap[acitiva (a) (b) O r Efecto magnetizante Fig. N° 4 .- Comportamiento del flujo principal en vacío (o ) respecto al flujo producido por la reacción del circuito estatórico y/o armadura (r ). Cuando la carga es capacitiva. Cuando la carga capacitiva esta desfasada en 90° en adelanto con relación a la tensión el campo de reacción de armadura consecuentemente se encontrará en la misma dirección del campo principal y con la misma polaridad ver los esquemas ( a ) y ( b ). El campo inducido en este caso tiene un efecto magnetizante. Las cargas capacitivas almacenan energía en su campo eléctrico y la devuelven totalmente al generador, no ejerciendo como en el caso anterior ningún conjugado frenante sobre el inducido. Debido al efecto magnetizante será necesario reducir la corriente de excitación para mantener la tensión nominal. 2.4.- Cargas intermedias.- En la practica nos encontramos con cargas que presentan desfasajes intermedios entre totalmente inductiva, capacitiva y resistiva. En este caso el campo inducido puede ser descompuesto en dos campos: Un transversal y el otro desmagnetizante (inductivo) ó magnetizante (capacitivo). If ( Amperios ) Cargas inductivas If nom. Cargas resistivas Cargas capacitivas V nominal V ( Voltios ) Fig. N° 5.- Variación de la corriente de excitación para mantener la tensión de armadura constante ( V en bornes ) . Solamente el campo transversal produce su efecto frenante consumiendo potencia mecánica de la máquina accionante. El efecto magnetizante ó desmagnetizante deberá compensarse alterando la corriente de excitación. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 3 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS 3.- POTENCIA EN LAS MAQUINAS SINCRONAS Para determinar la potencia de una máquina síncrona se utiliza la siguiente expresión: P = m . U . Ie . Cos m = Número de fases. U = Tensión de fase del estator. Ie = Corriente de fase del estator. = Angulo formado por U e Ie La potencia eléctrica desarrollada en la máquina de polos salientes también puede ser expresada en función del ángulo de carga que surge entre los fasores Uf (tensión de fase ) y Eo ( fuerza electromotriz inducida ) determinado por la posición del ángulo del rotor en relación al flujo girante del estator. Este efecto se produce cuando existe corriente circulante ( absorbida por la carga ) en los arrollamientos del estator, debido a que se crea un campo magnético que está en oposición al campo principal. Formas constructivas del rotor.- La forma de construcción del rotor es muy importante ya que produce características que definen su funcionamiento tales como: - Impedancia estator – rotor. - Impedancia rotor estator. - La variabilidad del entrehierro según su posición. ( Angulo de desfasaje ) ESTATOR d ( Eje directo ) N Campo principal de polos salientes q ( eje cuadratura ) S ESTATOR Fig. N° 6.- Comportamiento de la reacción de la armadura con respecto a los ejes d y q. a.- Rotor de polos lisos ( redondo ó cilíndrico ).- Es el que cumple las características que a continuación se detallan ver fig. N° 7 ( a ). MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 4 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS ESTATOR ESTATOR ROTOR ROTOR ROTOR a) Polos lizos b) Polos salientes Fig. N° 7.- Clasificación de los rotores según su forma constructiva del rotor - Arrollamientos de campo situados en las ranuras axiales ( a lo largo del rotor ). Se usan en máquinas que funcionan en altas velocidades accionadas por turbinas de vapor ( turbo alternadores, etc. ). El diámetro del rotor es relativamente pequeño ( aprox. 900 mm. ). Se utilizan en rotores para máquinas síncronas de 2 ó 4 polos ( altas velocidades ). Tiene su entrehierro constante. b.- Rotor de polos salientes .- Es utilizado en todo tipo de generadores, teniendo las siguientes características principales ver fig. N° 7 ( b ): - Presentar un entrehierro variable que depende de su posición respecto al estator. - Se usa en velocidades bajas ( > 4 polos ). - Son utilizadas en máquinas accionadas por turbinas hidráulicas. ( hidrogeneradores ). Las máquinas de polos salientes tienen una dirección de magnetización preferente determinada por las expansiones polares. La reluctancia es apreciablemente menor en el eje directo ( polar ) que en el de cuadratura ( neutro ). En la siguiente figura pueden verse los flujos longitudinales y transversales en el entrehierro de una máquina síncrona. Eje directo Eje cuadratura ESTATOR N ESTATOR S Flujos longitudinales N S Flujos transversales Fig. N° 8.- Flujos en una máquina de polos salientes. 4.- MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 5 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Para estudiar el efecto de los polos salientes se puede descomponer la corriente estatórica ( Ie ), en ambos diagramas, y teniendo como referencia la tensión inducida ( E ) se grafican los flujos de campo y de la reacción de la armadura para formar el flujo resultante que se hará presente en el entrehierro de la máquina de polos salientes. Donde: f = Flujo principal producido por el campo (inductor). e = Flujo debido a la reacción de la armadura (estator ó inducido). = Flujo resultante existente en el entrehierro. Ie = Corriente estatórica, trabajando con carga. Iq = Componente de la corriente estatórica, en eje cuadratura. Id = Componente de la corriente estatórica, en eje directo. Ie = Corriente estatórica, trabajando con carga. E = Tensión inducida interna (fuerza electromotriz), por fase del generador. = Angulo entre la tensión en terminales (V) y la corriente estatórica (Ie). = Angulo entre la tensión en terminales (V) y la tensión inducida (E). Xq = Componente de la reactancia síncrona en eje cuadratura. Xd = Componente de la reactancia síncrona en eje directo. Iq f E V Iq.Xq Ie.R Id Ie IdXd q Iq d E e Id Diagrama fasorial aproximado. Ie Diagrama de FM en polos salientes Fig. N° 9.- Diagramas fasoriales de las máquinas síncronas de polos salientes. Para operación equilibrada en régimen permanente Io es nula. - El significado físico de las componentes en eje directo y cuadratura es el siguiente: REACTANCIAS EN LOS EJES DIRECTO Y CUADRATURA Eje directo ( Xd ) Eje del rotor y conductores asociados Al estator. Reluctancia magnética mínima ( min. ). Flujo de enlace máximo ( 0max. ). Xd Xq En turbo alternadores. MAQUINAS SINCRONAS Eje cuadratura ( X q ) Espacio interpolar del rotor y conductores asociados del estator. Reluctancia magnética máxima (max. ) Flujo de enlace mínimo ( 0mín. ) Xq < Xd En hidro alternadores. HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 6 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS - La máquina de polos salientes tiene una dirección preferencial de magnetización determinada por la saliencia de los polos del campo. La permeancia a lo largo del eje polar ó directo es apreciablemente mayor que la permeancia a lo largo del eje interpolar ó cuadratura. De la tabla anterior se puede concluir que : - A mayor reluctancia se obtiene menor flujo. - A menor inductancia menor reactancia. Xd > Xq La reactancia en el eje es mayor que en cuadratura. Análisis de la potencia en máquinas síncronas de polos salientes.- Para realizar el estudio de las máquinas síncronas de polos salientes es necesario contar con un circuito equivalente ( fig.N° 10 y 11 ) donde intervengan el modelo y los parámetros mas importantes como son: La reactancia síncrona , conformada por la reactancia de la máquina mas la reactancia correspondiente a la reacción de armadura. - En la fig. N° 10 y 11 podemos visualizar el modelo adecuado (a) y el diagrama fasorial (b) que nos van a permitir realizar el análisis de la máquina síncrona de polos salientes. Así mismo se deben tener las siguientes consideraciones : I X Xa R E V ZL Fig. N° 10.- Circuito equivalente real por fase de una MRS de polos salientes V Cos Iq V I Xs R V sen E E R.Iq j Id.Xd V Id I R.Id j Xd.Id Fig. N° 11.- Representación del modelo y diagrama fasorial de una máquina síncrona de polos salientes . - R <<< Xs R 0 ( motivo por el cual se desprecia R ). - La Xs = Xd + X q ( Muy importante ). - E L0° es la la tensión inducida interna de referencia del generador. R Xs Xa X = = = = Resistencia de armadura por fase. Xa + X. Reactancia por fase debido a la reacción de la armadura. Reactancia interna por fase de la armadura. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 7 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS = Angulo entre V e I. = Angulo entre E y V. Aplicando la KVL ( Kirchooff Voltge Law ) en la fig. N° 11. E = V cos + R . Iq + Xd . Id E = V cos + R . I . cos ( + ) + Xd . I . sen ( + ) (1) V sen = Xq . I . cos ( + ) - R. I . sen ( + ) V Sen = Xq . Iq - R. Id (2) (3) (4) De las ecuaciones anteriores y teniendo E = E 0 ( Tensión inducida de referencia ). Asumiendo que R <<< Xs R = 0 = E 0 E Id = Pero V cos + Xd . Id = ( E - V cos ) / Xd , Iq = V sen / Xq (5) I = Id + jIq I = ( E - Vcos ) / Xd + j Vsen / Xq (6) A .- La potencia interna generada por la MRS es: S = E . I* S = E (E - Vcos ) / Xd + jE . Vsen / Xq S = ( E ² - V . E cos ) / Xd - j E . V sen / Xq S = (7) (8) P + j Q Potencia activa total E² / Xd - 3/2 - - /2 0 /2 3/2 2 Fig. N° 12.- Curva de la potencia activa en máquinas síncronas de polos salientes MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 8 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Potencia reactiva total - 3/2 - - /2 0 /2 3/2 2 Fig. N° 13.- Curva de la potencia reactiva en máquinas síncronas de polos salientes B.- La potencia generada en bornes por la MRS es: S = V . I* V S = Vsen + j Vcos e I = Id - j iq = ( Vsen + j Vcos ) ( Id - j iq ) S = V . sen . Id + j V . cos . Id - j V . sen . Iq + V . cos . Iq S = V . sen . Id + V . cos . Iq + j ( V . cos . Id - V . sen . Iq ) S = P P = = V . sen ( E - V cos ) / Xd + V . cos . V . sen / Xq V. E . sen / Xd - V ². cos Sen / Xd + V ². sen . cos ) / Xq P = V. E . sen / Xd + V ². cos Sen { 1 / Xq - 1/ Xd } P + j Q 2 sen . cos = P sen . cos = ( 1 / 2 ) sen 2 = ( V. E / Xd ). sen + ( V ² / 2 ) Sen 2 { ( Xd – Xq ) / Xq . Xd } Depende de V y la excitación de la máquina Cuando Xd >>> Xq P sen 2 Debido a la diferencia de la reluctancia en g. No depende de la excitación de la máquina. ( Entonces Xd - Xq = Xd ). Luego la nueva ecuación es: = ( V. E / Xd ). sen + ( V ² / 2 . Xq ) Sen 2 Luego si analizamos las variaciones del ángulo tenemos: Si = 0 MAQUINAS SINCRONAS P = 0 Si = 90° Pmax = V . E / Xd HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 9 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Potencia total Kw P máxima V. E sen / Xd Potencia activa V²sen2 ( Xd – Xq ) Xd . Xq o /4 /2 3/4 Grados eleéctricos. Fig. N° 14.- Curva de la potencia activa en máquinas síncronas de polos salientes Utilizando un programa computacional para obtener la P total de las máquinas. Además hacer los diagramas fasoriales para cargas puramente inductivas y/o capacitivas. Q = ( V . cos . Id - V . sen . Iq ) Q = V . cos ( E - V cos ) / Xd Q = V . E . cos / Xd - V ² . cos² / Xd Q = V . E . cos / Xd - V ² ( cos² / Xd Q = V . E . cos / Xd Depende de la excitacion de la máquina. + V . sen . V . sen / Xq + V ² . sen² / Xq + - V ² ( Xq . cos² + sen² / Xq ) Xd . sen² ) / Xq . Xd Depende de la saliencia del circuito inductor Cuando Xd >>> Xq ( Luego Xq . cos² + Xd . sen² = Luego la nueva ecuación es: Q Xd . sen² ) = ( V. E / Xd ). cos - ( V ² / Xq ) Sen² Luego si analizamos las variaciones del ángulo tenemos: Si = 0 Q = Qmax Si = 90° Q = - V ² / Xq Haga un programa computacional obtener la Q total de las máquinas. Además hacer los diagramas fasoriales para cargas puramente inductivas y/o capacitivas. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 10 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Kvar Q máxima V. E cos / Xd Potencia reactiva total - V² Sen / Xd - /2 - /4 o /4 /2 Grados eleéctricos. Fig. N° 15.- Curva de la potencia reactiva en máquinas síncronas de polos salientes Problema .- Un generador de polos salientes de 120 Mva. , 60 Hz. , 13.8 Kv , FP = 0.95 Con Xd = 150 % y Xq = 45 %. a.- Se le solicita realizar los cálculos en bornes del alternador : 1.- La Pmax , Qmax y el max. 2.- Hallar V y E . Asi mismo dibuje el diagrama fasorial. 3.- La válvula de agua es abierta hasta que P aumenta un 20 % en estas condiciones se le solicita calcular : P, Q, E, V, . b.- Hacer todos los cálculos realizados en ( a ) tomados en E = E L0°. Así podemos señalar que la potencia eléctrica que el generador entrega en sus bornes se puede obtener a partir de las ecuaciones siguientes: P = Pd + Pq P = Id . V Sen P = { ( E - V Cos ) / Xd }. V Sen + { V Sen / Xq } V Cos P = ( E.V Sen - V² Sen Cos ) / Xd + { V² Sen Cos / Xq } + Iq . V Cos La potencia electromagnética que es la potencia transmitida por el rotor de un alternador hacia el estator ( potencia en bornes del generador ) puede ser expresada por: Pd = m . E . V sen / Xd Pq = m . ( Xd - Xq ) V ² sen cos / Xq . Xd Pq = m . ( Xd - Xq ) V ² sen 2 / 2 .Xq . Xd P = m . E . V sen / Xd + m .( Xd - Xq ) V ² sen 2 / 2 .Xq . Xd MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 11 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Pd es la potencia que depende de la tensión de la red y de la excitación del campo. Pq es la potencia debido a la diferencia en la reluctancia del entrehierro a la cual no depende la excitación de la máquina. 5.- MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LIZOS Para realizar el estudio de las máquinas síncronas es necesario contar con un circuito equivalente ( fig.N° 14 ) donde intervengan los parámetros mas importantes como son: La reactancia síncrona , conformada por la reactancia de la máquina mas la reactancia correspondiente a la reacción de armadura. En sistemas de potencia se utilizan modelos del circuito equivalente que represente las características externas del generador con una exactitud suficiente. En la fig. N° 14 podemos visualizar el modelo adecuado (a) y el diagrama fasorial (b) que nos van a permitir realizar el análisis de la máquina síncrona. Así mismo se deben tener las siguientes consideraciones : - R <<< Xs R 0 ( motivo por el cual se desprecia R ). - es el ángulo de impedancia entre Xs y R . ( Z L ). - = arc. tang. ( Xs / R ) 90°. - La Xs Xd X q ( Muy importante ). V L 0° es la la tensión de referencia en los terminales del generador. Siendo: Ff = FMM producida por la corriente de campo If. Fa = FMM producida por la corriente de armadura I (estator ó inducido ). F = FMM resultante en el entrehierro. Xs = Xa + X. = Xd R = Resistancia de fase de los arrollamientos. = Angulo entre V e I. = Angulo entre E y V. Xd = Xs I ( b ) Diagrama fasorial Xa E X R Et Fa I.Xa V Ff F Et V ( a ) Circuito equivalente E I.X I.R I Fig. N° 16.- Representación del circuito equivalente y diagrama fasorial por fase de las máquinas síncronas de polos lizos. Análisis de la potencia de las máquinas síncronas de polos lizos.- Para hacer la deducción matemática de las ecuaciones de potencia de las máquinas de polos lizos utilizaremos el modelo y diagrama vectorial de la fig. N° 14. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 12 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Aplicando la KVL ( Kirchooff Voltge Law ) en la fig. N° 14. E = V + I . Zs = I = ( E - V ) / Zs I = (1) ( EL - V L0 ) / Zs L - = arc. tan ( Xs / R ) 90° Pero si Xs >>> R I V + I . R + j Xs . I - = () ( E / Xd ) L - - ( V / Xd ) L - ( E / Xd ) L – ( - ) - ( V / Xd ) L - = = (2) Así mismo las componentes de E e I respectivamente son : E E . cos + j E . sen = (3) E I Xs V R E I V Zs I.Xs I.R Fig. N° 17.- Representación vectorial de la máquina síncrona de polos lizos. La ecuación ( 2 ) expresada en su forma rectangular es como sigue: I = ( E / Xd ) { cos ( - ) – j sen ( - ) } - V / Xd { cos - j sen } I = ( E / Xd )cos ( - ) - ( V / Xd )cos + j { ( E / Xd )sen ( - ) - ( V / Xd )sen } I = I . cos + j I . sen Aplicando ( ) a las siguientes expresiones tenemos : 90° Cos ( - ) = Cos . cos + sen sen = Sen Sen ( - ) = Sen . cos - cos . sen = Cos I = ( E / Xd ) sen - j { ( E / Xd ) cos - ( V / Xd ) } A.- Potencia interna generada por la máquina es : S = E . I* = P (4) E = EL0 + j Q S = [ E. cos + j E. sen ] [ ( E / Xd ) sen + j { ( E / Xd ) cos - ( V / Xd ) } ] S = ( E ² / Xd ) sen cos + j { ( E ² / Xd ) cos ² - ( V . E / Xd ) cos } MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 13 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS + j ( E ² / Xd ) sen ² - [ ( E ² / Xd ) cos sen - ( V . E / Xd ) sen ] S = ( V . E / Xd ) sen ] + j { ( E ² / Xd ) - ( V . E / Xd ) cos } S = P + j Q P máxima Potencia activa Potencia activa V . E Sen ° / Xd /4 /2 3/4 Fig. N° 18.- Curva de la potencia activa en máquinas síncronas de polos lizos. Potencia reactiva total - - 3/4 - /2 E ² / Xd -/4 o /4 3/4 /2 Fig N° 19.- Curva de la potencia reactiva en máquinas síncronas de polos lizos. B.- Potencia en bornes generada por la máquina es : V = VL0 P máxima Potencia activa V . E Sen ° / Xd /4 /2 3/4 Fig. N° 20.- Curva de la potencia activa en máquinas síncronas de polos lizos. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 14 ME III 10.S = E . I* = P POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS + j Q S = V [ ( E / Xd ) sen + j { ( E / Xd ) cos - ( V / Xd ) ] S = ( V . E / Xd ) sen + j { ( V . E / Xd ) cos - ( V ² / Xd ) } S = P + j Q Q máxima Potencia reactiva total - V ² / Xd - -3/4 - /2 - /4 o /4 /2 3/4 Fig N° 21.- Curva de la potencia reactiva en máquinas síncronas de polos lizos. Tarea I.- Haga un programa computacional obtener la P y Q totales de las máquinas síncronas de polos lizos en bornes de la máquina y en la tensión inducida interna. II.- Además hacer los diagramas fasoriales para cargas puramente inductivas y/o capacitivas. III.- Problema.- Un generador de polos lizos ( central Santa Rosa ) esta trabajando en condiciones nominales a un S = 150 Mva., 60 Hz , 13.8 Kv , FP = 0.85 Con Xd = 181.29 %. La diferencia entre E y V es de 0.09 p.u. a.1.2.3.b.- Se le solicita realizar los cálculos en bornes del alternador : La Pmax , Qmax y el max. Hacer las gráficas P y Q vs . Dibuje el diagrama fasorial. Hacer todos los cálculos realizados en ( a ) tomados en E = E L0°. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 15 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS 6.- OPERACIÓN DE LA MRS CON REACTANCIA SÍNCRONA CONSTANTE I ’.Xs I.Xs E V I.R V E E I’.R V I I’ I’ > I ( a ) Factor de potencia unitario. Cargas puramente resistivas. E I.Xs I.R I.R I.Xs V V E I I ( b ) Factor de potencia inductivo atrasado E > V ( c ) Factor de carga capacitivo adelantado E < V. Fig. N° 22.- Representación fasorial de las variaciones de voltaje con reactancia síncrona constante y diferentes cargas. La máquina rotativa síncrona ( MRS ) bajo la suposición de tener una reactancia síncrona constante, la misma que puede ser representada por un circuito equivalente comprendiendo un bobinado estatórico ideal sometido a una tensión inducida E que es proporcional a la corriente de excitación If. A continuación presentaremos tres diagramas vectoriales manteniéndose la reactancia síncrona constante y variaremos tan solamente la corriente de la carga. Estamos presente frente a tres tipos diferentes de cargas. 7.- REGULACION DE VOLTAJE EN UN GENERADOR SINCRONO La regulación de tensión de un generador síncrono consiste en analizar el desempeño de la máquina cuando se halla trabajando en vacío y a plena carga; cuando la velocidad y la corriente de excitación permanecen constantes. Utilizaremos el modelo de la fig. N°14. Para cuantificarlo se utiliza la siguiente expresión: Regulación ( % ) = { ( E - V ) / V } x 100 Los voltajes a plena carga ( V ) depende mucho del factor de potencia de la carga. MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 16 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Para un factor de potencia unitario y en atraso se presenta siempre una caída de tensión cuando se incrementa la carga fig.N° 18 ( a ). Pero cuando se tiene el factor de potencia en adelanto la regulación es cero y muchas veces cuando se aumentan la carga la regulación resulta ser negativa fig. N° 18 ( b ). Finalmente podemos decir que un generador es ideal cuando la Regula.( % ) 0. adelanto V (%) 0.0 adelanto 200 0.8 0 0.8 A 0.9 A 100 0.9 0.0 atraso If ( % ) 1.0 0.9 0.9 0.8 100 atraso 100 Isc (a) Tensión (V) vs Amperios (I). I(%) 0.0 100 I(%) (b).- Amperios (If) vs Amperios (I). Fig.N°23.- Características del generador síncrono bajo carga con diferente factor de potencia y excitación de un generador para obtener un voltaje constante. De la fig.N° 17 la regulación para una corriente de carga I a un factor de potencia Cos se puede obtener de la siguiente ecuación. E ² = ( V . Cos + I . R ) ² + ( V . Sen + I . Xs ) ² 8.- CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA - DEFINICIONES VARIAS Distorsión armónica.- La forma de onda ideal de tensión de una fuente de corriente alterna es senusoidal. Cualquier forma de onda que contenga cierta distorsión figuras N° 19 y 20. puede ser representada como la equivalente a la suma de la fundamental mas una serie de tensiones AC relacionadas con sus armónicas específicas ( 5, 7, 11, 13 , etc. armónica ). La distorsión puede ser definida para cada armónica, en relación con su amplitud, como un porcentaje de la fundamental. En la figura N° 19 se representa la forma de onda tomada entre fase y fase en un generador encontrándose una distorsión calculada de 2.04%. La distorsión armónica puede ser calculada utilizando la fórmula siguiente: Distorsión = MAQUINAS SINCRONAS m=m { m=2 Em ( -------- ) ² E1 HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 17 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Donde E1 y Em son las tensiónes de las armónicas fundamental y orden m respectivamente. Fig.N° 24 .- Distorsión fase - fase Fig.N° 25.- Distorsión fase - neutro La figura N° 20 se presenta una forma de onda que corresponde a la tensión fase – neutro donde la distorsión registrada fue de 15.71%. Modulación de tensión .- Es la cíclica variación de tensión causada por las oscilaciones del regulador o por la variación cíclica de la carga. Desequilibrio angular.- Las tensiones de un sistema trifásico son desfasadas en 120°, si este desfasaje fuera diferente a los 120° el referido valor estará en desequilibrio. Desbalance de tensiones.- El desbalance de tensiones es la diferencia entre la tensión de línea mas elevada y la mas baja, pudiendo ser expresado en porcentaje de la tensión media de fase. Ejemplo: La fase R y S miden 208 Voltios (1.6% por encima de la media); S y T miden 204 voltios ( 0.33% por debajo de la media) y finalmente T y R miden 202 Voltios (1.3% por debajo de la media). Entonces : Media = 204,6 Voltios. Variación 6 Voltios (2.9%). Factor de desvío.- Los desvíos y variaciones de forma de onda pueden ocurrir en cualquier parte de la onda. Pudiendo ser en el semi ciclo: positivo, negativo o cuando cruza por el cero tal como se presenta en la fig.N° 21. La amplitud de la variación se expresa como un porcentaje del valor de pico de la onda senoidal de referencia y el factor de desvío. El factor de desvío puede ser calculado por : FDESVio = MAQUINAS SINCRONAS Desvio / Vpico HUBER MURILLO MANARIQUE PAGE 18 ME III 10.- POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS Fig.N° 26 .- Desvío en los dos semiciclos Fig.N° 27.- Desvío de la onda cerca al pico Tolerancia de tensión.- Los desvíos máximos aceptables de la tensión son generalmente expresados como porcentaje de la tensión nominal por ejemplo: + 5.0 % -------- 105 % continuamente. - 7.5 % -------- 92.5 % continuamente. Una serie de equipos que necesitan una tensión nominal de 100 Voltios ± 10% (esto es entre 90 y 110 Voltios) puede ser conectado a una fuente con una tensión nominal de 105 Voltios solamente cuando la tolerancia de tensión de la fuente es de + 4.7% y - 14% ( 90 Voltios ). Transitorio de tensión.- Son picos de tensión de corta duración que aparecen esporadicamente y pueden alcanzar centenas de voltios ( una tensión muy elevada ). Fig. N° 28.- Transitorios de tensión. MAQUINAS SINCRONAS PAGE 19 HUBER MURILLO MANARIQUE ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS ESTUDIO TRANSITORIO DE LAS CORRIENTES DE CORTO CIRCUITO A continuación presentamos el modelo por fase a utilizarse en los estudios de cortos circuitos que se presentan en los sistemas eléctricos de potencia. Corriente de corto circuito.- Es el abundante flujo de electrones que fluye por un punto defectuoso mientras dura la falla. Modelo.- Es la representación física de un sistema eléctrico para lo cual se utilizan elementos pasivos ( R, L y C ) y elementos activos ( fuentes AC ). Interruptor.- Equipos diseñados para despejar, en forma rápida, las fallas de sobre corriente y corto circuito ocurridos en un sistema eléctrico. GENERADOR IA LINEA TX CARGA Ia1 If Vf MP ˜ Ra j Xs (+) Ea V Icc ZL (-) Figura N° 1.- Modelo monofásico del GS y de la corriente de corto circuito Cuando se produce el corto circuito sucede : El Generador ve que Ztotal cae brusacmente. En consecuencia el generador inyecta una alta corriente llamado Icc. El IA debe despejar la falla de inmediato. En el momento que sucede el corto circuito los valores de la reactancia sincronía son reemplazados por los valores de la reactancia subtransitoria Xd’’. El generador síncrono resulta siendo el elemento de más importancia dentro de todo el sistema eléctrico de potencia (SEP). El GS desarrolla y soporta todas las solicitaciones de las cargas manteniendo los niveles de tensión dentro de una franja estrecha de tal manera que no afecte el normal funcionamiento de las cargas garantizando la continuidad y estabilidad del sistema. En consecuencia el generador síncrono es el único elemento activo que proporcionará la corriente de corto circuito al sistema eléctrico de potencia. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS PRUEBAS DE CORTO CIRCUITO TRIFASICO DEL ALTERNADO Se trata de construir un modelo general que me permita producir diversos cortos circuitos que deben ser analizados con equipos sumamente rápidos denominados oscilógrafos de alta sensibilidad que registrará la evolución de la corriente durante todo el periodo de la falla. El ensayo es llevado a cabo como sigue: Aplíquese el corto circuito trifásico a los terminales del generador que inicialmente se halla con tensión nominal y girando en vacío a Wm síncrona. El oscilógrafo registrará las variaciones de la corriente de cortocircuito ( Icc ). Las Icc están compuestas por una componente de continua y alterna. Independientemente de cuando ocurra el levantamiento del corto circuito por el disyuntor todas las componentes de ésta corriente están contenidas en la envoltura. Por tanto para analizar la Icc bastará analizar a la envolvente que representa a todas las corrientes ocurridas en el corto circuito. W1 Sc TC Ic C Ia Sa TC A Sab If Vf B Ib TC Sb + OSCIL. N° 1 OSCIL. N° 2 OSCIL. N° 3 Figura N° 2.- Ensayo de corto circuito trifásico de un generador síncrono Nótese que la forma de onda de Icc no es fija. También se puede ver que la Icc es simétrica, con respecto al eje de tiempo por éste motivo se le conoce como corriente simétrica de corto circuito. Como el generador sufre la Icc que inicialmente es muy grande y va decreciendo hasta su valor de régimen permanente, entonces podemos decir que el GS tiene una reactancia interna variable desde un valor pequeño hasta Xs. Esto es: Xinicial < Xgenerador < Xs MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS I”max. b ( a ) Corriente fase A I’max a Periodo sub transitorio c Periodo transitorio d Periodo permanente Imax g Fig. N° 3 h tiempo o ( b ) Corriente fase B Envoltura transitoria Envoltura permanente dc ( c ) Corriente fase C Figura N° 3.- Corrientes de corto circuito y sus componentes. Como la resistencia interna de los arrollamientos de fase del generador es muy pequeña, en relación con la reactancia interna no se considera en el modelo de corto circuito. Teniéndose mucha dificultad en el cálculo de la corriente de corto circuito es que la envolvente se divide en tres periodos: - Periodo sub transitorio. - Periodo transitorio. - Periodo de régimen permanente. Para su mayor entendimiento se estudiará cada periodo y es como sigue: Periodo sub transitorio de la corriente de corto circuito y reactancia sub transitoria (x d’’) .- El periodo sub transitorio es caracterizado por la región bc de la figura N° 3 y es el periodo inicial de la corriente de corto circuito. En este periodo contribuyen las bobinas del estator, bobinado del campo y el circuito de amortiguamiento ubicado en la parte móvil de la máquina (jaula ubicada en la cabeza del polo del rotor). Apenas exista deslizamiento en este bobinado comenzará una circulación de corriente por su jaula seccionada la misma que producirá un flujo adicional impidiendo mayores oscilaciones del rotor principal. Por tanto el bobinado de amortiguamiento es importante para aumentar la estabilidad de los sistemas eléctricos. En ausencia del bobinado de amortiguamiento no existiría el periodo sub transitorio. Cuando la máquina trabaja en periodo permanente el bobinado de amortiguamiento es como si no existiera, no desarrolla ningún trabajo. La reactancia sub transitoria (X“) está definida como: X” = E/I” Siendo : E = Voltios eficaz línea neutro del G.S antes del corto circuito. I’’ = I’’ max / 1.4142 Valor eficaz de la corriente de corto circuito. Periodo transitorio de la corriente de corto circuito y reactancia transitoria (xd’).- En ésta zona el decaimiento de la curva es más suave y el tiempo de duración es mucho más prolongado que el sub transitorio. El responsable de este periodo es del arrollamiento del campo principal del generador. Durante el corto circuito, el cambio brusco cambia el estado de la MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS topología de la red provocando oscilaciones. En éste momento el campo principal hace funcionar a la jaula del bobinado de amortiguamiento, creando una tensión inducida por reacción y por tanto una corriente circulante alterna, esto se produce por las barras del dicho circuito. El arrollamiento de campo es fortalecido por la corriente AC de corto circuito de la jaula del bobinado amortiguador. Finalmente el generador entra a la zona de régimen permanente. La reactancia transitoria (X‘) está definida como: X’ = E/I’ Siendo: E = Voltios eficaces fase neutro del G.S antes del corto circuito. I’ = I’ max/1.4142 Valor eficaz de la corriente de corto circuito. Periodo permanente de la corriente de corto circuito y reactancia síncrona (Xs).- Este periodo es caracterizado por la zona dh de la figura N° 3 nótese que la envoltura coincide con los picos de las ondas sinusoidales. Los corto circuitos deben ser eliminados por el sistema de protección en el periodo sub transitorio, si ésta falla persiste deberá accionar la protección temporizada (de respaldo) que actúa en el periodo transitorio. La reactancia síncrona (Xs) está definida como: X = E/I Siendo: E = Voltios eficaz fase neutro del G.S antes del corto circuito. I = I max / 2 Valor eficaz de la corriente de corto circuito. Ecuación de la envolvente de la corriente de corto circuito.- La curva envolvente descrita en la figura N° 3 es representada por la siguiente ecuación. Tabla N° 1 .- Constantes de tiempo (seg) de los generadores síncronos. TIPO DE MÁQUINA Td ” en seg. Td’ en seg. Tdo’ en seg. Tcc en seg. GS DE POLOS SALIENTES CON BOBINADO DE AMORTIGUAMIENTO GS DE POLOS SALIENTES SIN BOBINADO DE AMORTIGUAMIENTO TURBO GENERADOR ES VELOCIDAD DEL ROTOR DEL GENERADOR SINCRONO ALTA 2P> 18 BAJA 2P< 18 ALTA 2P> 18 BAJA 2P< 18 0.03 0.03 0.03 0.02 -- 0.05 0.02 – 0.05 0.02 -- 0.05 1.3 1.6 1.6 1.6 1.6 0.5 ---1.8 0.7 --- 2.5 0.7 -- 2.5 0.7 -- 2.5 0.7 -- 2.5 10 6 5 6 5 5 –15 4 -- 10 3 …8 4 -- 10 3 -- 8 0.15 0.18 0.22 0.3 0.35 0.07 -- 0.40 0.10 -- 0.40 0.10 -- 0.40 0.15 -- 0.50 0.20 -- 0.50 I(t)envoltura = (I”max.- I’max.).M + (I’max.- Imax.).N +Imax Siendo : M = exp. (- t / T” ) periodo sub transitorio. N = exp. (- t / T’ ) periodo transitorio. I” max. = Es la corriente máxima en el periodo subtransitorio. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS I’ max. = Es la corriente máxima en el periodo transitorio. I max. = Es la corriente máxima en el periodo de régimen permanente. T” y T’ son las ctes. de tiempo de los periodos sub transitorio y transitorio dados en segundos. A continuación presentamos la tabla N° 1 de los valores de las constantes de tiempo de los generadores síncronos, siendo éstas: - Td’ Cte. de tiempo transitoria en seg. Td’’ Cte. de tiempo sub transitoria en seg. Tdo’ Cte. de tiempo en vacío en seg. Tcc Cte. de tiempo de la componente de CC. MODELOS DE LAS SECUENCIAS EN LOS GENERADORES SINCRONOS Según el teorema del Dr. Charles Fortescue en 1918, un sistema eléctrico debe ser descompuesto en tres sub sistemas eléctricos denominados secuencias: positiva, negativa y cero. Esto lleva a la necesidad de obtener un modelo para cada una de éstas secuencias. Los tres modelos obtenidos son sistemas trifásicos equilibrados, siendo por tanto necesario efectuar el estudio a una sola fase. Secuencia positiva.- Es la única secuencia que dispone de de una fuente, y para obtener sus resultados se somete a este ensayo donde el circuito equivalente por fase del generador síncrono conectado en Y está dado por la siguiente expresión, tal como se puede ver en la figura N° 4. Ea1 = A Va1 + j Xd” Ia1 Ic Ia1 Ia W1 A C ˜ Ea1 A j Xa1 (+) Va1 (-) B If Vf + - A Ib Figura N° 4.- Esquema del corto circuito trifásico y su respectivo modelo de secuencia positiva Donde : Ea1 = Tensión de fase en los terminales del generador girando en vacío. Va1 = Tensión de fase en relación con el neutro. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Ia1 = Corriente de secuencia positiva para la fase a. A continuación presentamos la ecuación relacionada con el modelo: Como el generador es un elemento activo, su representación es hecha por una fuente ideal Ea1 atrás de la reactancia subtransitoria. Secuencia negativa.- El defecto que provoca el desbalance es generar la componente de secuencia negativa. Por tanto se debe analizar al generador frente a estas componentes. Para realizar este ensayo se debe hacer la simulación de la figura N° 5 Las condiciones de este ensayo son las siguientes: El circuito del campo N° 1 debe estar en cortocircuito girando a velocidad síncrona W1. El sentido de giro debe ser horario, el mismo de la secuencia positiva. Se le aplica otro generador externo que facilita la simulación de ésta secuencia que gira a velocidad síncrona W2 = W1 pero en sentido antihorario (contrario a la secuencia positiva). En el periodo sub transitorio y transitorio prácticamente no existen en ésta secuencia, por tanto la reactancia de esta secuencia por fase es: X 2 = Va2 / Ia2 Donde: Va2 = Es la tensión leída en la figura N° 5. Ia2 = Es la corriente leída en la figura N° 5. A W1 C1 A1 B1 Ia2 W2 = W1 V A2 B2 j Xa2 (+) Va2 (-) C2 If Vf + Figura N° 5.- Modelo del corto circuito trifásico y modelo de secuencia positiva Como el generador es construido perfectamente equilibrado, el campo de su rotor solo podrá generar tensiones equilibradas en secuencia abc. Por tanto el modelo de secuencia negativa es un circuito pasivo sin fuente de tensión. La ecuación que relaciona esta secuencia es: A. Va2 = - j X2 Ia2 Si los generadores síncronos son de polos salientes con bobinado de amortiguamiento la secuencia negativa es obtenida de la expresión: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS X2 = ( Xd ‘’ + Xq ‘’ ) / 2 Donde: Xd” = Reactancia sub transitoria de eje directo del generador. Xq’’ = Reactancia sub transitoria de eje en cuadratura del generador. Secuencia cero rígidamente aterrado.- Por el teorema de Fortescue la secuencia cero corresponde a tres fasores en fase. Por tanto para simular esta secuencia el generador debe ser sometido a tensiones iguales en sus arrollamientos, con el campo en corto circuito girando a la velocidad síncrona en el sentido de la secuencia positiva. Los terminales del generador síncrono son corto circuitados y conectados a otro generador monofásico síncrono tal como se puede observar en la figura N° 6. La tensión aplicada a cada una de las fases es la misma. Io Io W1 Iao A C B Vao + A 3Io V Io (+) j Xao 3Io E (-) - Figura N° 6.- G.S. sometido al ensayo de para obtener la secuencia cero rígidamente aterrado La reactancia de secuencia cero (Xo) está dado por la expresión siguiente. Xo = E/Io Donde: E = Es la tensión leída en la figura N° 6. Io = Es la corriente leída en la figura N° 6. Si los generadores síncronos en relación de la secuencia cero se comporta como un circuito pasivo por tanto la secuencia cero por fase está dado por: Vao = - j Xo. Iao. Donde: Vao = Tensión de secuencia cero por fase con relación del neutro. Iao = Corriente de secuencia cero por fase del generador. La ecuación relativa del circuito equivalente de la figura N° 6 es la reactancia de secuencia cero está ubicada dentro del siguiente intervalo. 0.1 Xd “ < Xo < 0.7 Xd “ MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Secuencia cero aterrado con una impedancia Zn.- Generalmente los generadores son aterrados a través de una impedancia Zn, que es instalada para limitar la corriente de corto circuito monofásico y tierra de los terminales del generador. A esta reactancia se le conoce con el nombre de reactancia de Peterson. Esta impedancia es conectada entre el punto neutro de la conexión Y y el sistema de aterramiento (malla de puesta a tierra ver figura N° 7). La corriente de secuencia cero pasa por cada fase del generador, en consecuencia la corriente que pasa por Zn es 3 Io. El potencial del punto No y tierra está dado por: Vno – tierra = - Zn . 3 Io = - 3 Zn . Io Como la corriente del modelo es Iao, para simular la caída de tensión entre el neutro y tierra la impedancia aparece como 3.Zn, el circuito equivalente es visualizado en la figura N° 7. La relación entre la tensión de secuencia cero (Vao) y la corriente de secuencia cero (Iao) se presentan en el modelo de la figura N° 7. Vco Io Io W1 Vao A C A 3Io If B Vf Zn + - V Io Vbo Io Iao A j Xao 3Zn Vao (+) Vao Iao 3Zn (-) Figura N° 7.- G.S. sometido al ensayo para obtener la secuencia cero a través de impedancia. Del circuito equivalente podemos afirmar que: Vao = - (jXo + 3.Zn).Iao La impedancia Zn ubicada entre el neutro y tierra del generador no afecta a las componentes de secuencias positivas y negativas si son equilibradas. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS El generador y sus secuencias.- El generador síncrono, según el teorema de Fontescue está compuesto por las secuencias positiva, negativa y cero. Valores típicos de las reactancias de las secuencias en el generador síncrono.Teniendo en cuenta que la diversidad de tipos de generadores hace difícil presentar los valores de placa característicos. Por esta razón es que presentamos la tabla N° 2 con los valores en p.u.. Ia1 Iao Ia2 j Xa1 (+) ˜ Ea1 j Xa2 (+) Va1 Va2 (-) (-) Secuencia positiva Iao (+) j Xao Vao j Xao (+) 3Zn (-) Secuencia negativa Vao (-) Secuencia cero directamente aterrado Secuencia cero aterrado a través de Zn Figura N° 8.- Secuencias positiva, negativa y cero de un generador síncrono. Tabla N° 2 .- Valores típicos de los generadores síncronos. TIPO DE MAQUINA TURBO GENERADORES GS DE POLOS SALIENTES CON BOBINADO DE AMORTIGUAMIENTO VELOCIDAD DEL ROTOR DEL GENERADOR SINCRONO ALTA 2P < 18 Xd ”en %. saturada Xd’ en % saturada Xd en %. saturada Relación de corto circuito en vacío Ko Reactancia negativa X2 en % Reactancia Cero Xo en % GS DE POLOS SALIENTES SIN BOBINADO DE AMORTIGUAMIENTO BAJA 2P > 18 ALTA 2P < 18 BAJA 2P > 18 12 18 20 25 30 9 -- 20 14 – 23 15 -- 25 22 - 35 25 - 40 18 27 30 27 33 14 -- 25 20 -- 32 22 -- 36 22 -- 35 25 -- 40 160 100 100 100 100 120 – 200 80 -- 140 75 - 120 40 -- 140 75 -- 125 0.6 1 1 1 1 0.5 -- 0.8 0.7 -- 1.6 0.8 -- 1.2 0.7 -- 1.6 0.8 -- 1.2 12 20 24 45 50 9 -- 20 14 -- 25 15 -- 27 36 -- 63 35 -- 60 2 -- 10 3 -- 20 3 -- 22 4 -- 24 4 -- 30 CORTOCIRCUITOS EN LOS GENERADORES SINCRONOS Siendo el generador el único elemento activo de un sistema eléctrico, entonces éste será el más afectado en presencia de fuertes perturbaciones y/o corto circuitos. El análisis a realizarse tendrá en cuenta las siguientes consideraciones: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS El campo del generador debe girar a la velocidad síncrona y excitado para producir la tensión nominal en sus terminales. El circuito deberá estar en vacío. Los cortocircuitos que van a ser analizados son los siguientes: Corto circuitos trifásicos (3) - Corto circuito equilibrado. Corto circuitos bifásicos (2) - Corto circuito desequilibrado. Corto circuitos bifásicos a tierra (2 – t) - Corto circuito desequilibrado Corto circuitos monofásicos a tierra (1 – t) - Corto circuito desequilibrado Para poder realizar los cortocircuitos antes indicados resulta necesario utilizar el siguiente esquema figura N° 9. Los arrollamiento de cada fase está representado por una bobina en serie con una fuente de tensión ideal cuyo valor es igual a la tensión fase - neutro del generador síncrono sin carga. Aplicándose el teorema del Dr. Charles Fontescue en el cual se plantea que un sistema eléctrico puede ser descompuesto en tres subsistemas denominados secuencias positiva, negativa y cero. La combinación de estas secuencias con la secuencia cero dan origen a tres casos que se presentan a continuación. MODELOS UTILIZADOS POR FONTESCUE TIPOS Ia1 j Xa1 ˜ CASO I Ea1 (+) Ia1 CASO II ˜ Ea1 (-) (+) Va1 Secuencia positiva (-) Ia1 CASO III ˜ j Xa1 Ea1 (+) Va1 Secuencia positiva (-) (+) j Xa2 Va1 Secuencia positiva j Xa1 Ia2 Ia2 (-) (+) Va2 (+) j Xao Va2 Secuencia negativa j Xa2 Iao (-) Secuencia cero directamente aterrado Iao (+) j Xao Vao 3Zn (-) Secuencia negativa Ia2 Va2 (-) Secuencia negativa (-) Secuencia cero aterrado a travez de Zn (+) j Xa2 Vao Iao (+) j Xao Vao (-) Secuencia cero con neutro aislado Figura N° 9.- Secuencias positiva, negativa y cero según el caso Según el tipo de corto circuito ocurrido y teniéndose en cuenta el tipo de aterramiento utilizado se pueden plantear los modelos de las secuencias presentadas en la figura N° 9. Pero para realizar el desarrollo de los cortocircuitos utilizaremos el modelo planteado en el caso II (en el que el generador se halla aterrado mediante un impedancia Zn). Estos cortocircuitos son los siguientes: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Corto circuitos trifásicos (3).- Los arrollamientos del generador son idénticas y distribuidas convenientemente de modo que al realizar este ensayo nos encontramos con un circuito equilibrado. El sistema presenta: VR = VS = VT = 0 Voltios. Va1 = Ea1 – j.X1.Ia1 = 0 Va2 = - j X2 Ia2 = 0 Vao = - ( j Xo + 3 Zn ) Iao = 0 Entonces podemos concluir que en el cortocircuito trifásico solamente interviene la secuencia positiva y la corriente de cortocircuito Ia1 se puede hallar usando la ecuación siguiente: Ea1 = Ia1 ˜ j Xa1 Ea1 (+) j X1. Ia1 Ia2 (+) j Xa2 Va1 Va2 Iao j Xao 3Zn (-) (-) (+) Vao (-) Modelo para hallar la corriente de cortocircuito trifásico Ia1 ˜ j Xa1 Ea1 (+) Va1 (-) Ia2 (+) j Xa2 Va2 Iao (+) j Xao Vao 3Zn (-) (-) Modelo para hallar la corriente de cortocircuito bifásico aislado Figura N° 10.- Modelos utilizados en los cálculos de las ICCs trifásico y bifásico aislado. Corto circuitos trifásicos (2).- De da cuando el corto circuito se produ-ce entre las fases S y T. Esto impone las siguientes condiciones: IR = 0, VS = VT e IS + IT = 0 De las ecuaciones de tensión y corriente Va1 = Va2 e Ia1 = Ia2 podemos deducir que los modelos de secuencia positiva y negativa pueden ser conectados en paralelo para el corto circuito bibásico. Analizando la secuencia cero el cual se halla sin ninguna conexión, puede ser eliminado, la justificación se presenta a continuación: Vao = 1/3 (VA + VS + VS) = 1/3 (VR + 2 VS) Del circuito equivalente de secuencia cero se deduce: Vao = - ( j Xo + 3Zn ) Iao = 0 Por tanto podemos concluir que: 0 = 1/3 (VR + 2 VTS) y VR = - 2 VS En este momento la tensión en la fase R es el doble que la fase b. Corto circuitos trifásicos (2-t).- Las condiciones del defecto de corto circuito bifásico – tierra son: IR = 0 y VS = VT = 0 MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Vao = VR / 3 , Va1 = VR / 3 , Va 2 = VR / 3 Vao = Va1 = Va2 = VR / 3 Por el teorema de Fortescue la corriente verdadera de la fase R es igual a la suma de las tres corrientes de las respectivas secuencias esto es: IR = Iao + Ia1 + Ia2 = 0 (Por la condición del defecto la IR = 0) Ia1 ˜ j Xa1 Ea1 (+) Ia2 j Xa2 Va1 Iao (+) (+) j Xao Vao 3Zn Va2 (-) (-) (-) Modelo para hallar la corriente de cortocircuito bifásico - tierra (+) Ia1 ˜ j Xa1 Ea1 (+) Ia2 j Xa2 Va1 Iao Va2 (-) (+) j Xao Vao 3Zn (-) (-) Modelo para hallar la corriente de cortocircuito monofásico - tierra Figura N° 11.- Modelos utilizados en los cálculos de las ICCs bifásico y monofásico tierra. Para satisfacer las condiciones del cortocircuito analizadas de tensión y corriente por fases de las secuencias positiva, negativa y cero el modelo debe ser conectado en paralelo. Corto circuitos monofásicos a tierra (1 - t).- Si producimos el corto-circuito analizamos las ecuaciones de tensiones en las secuencia individua-les encontramos las siguientes condiciones: Vao = - (j Xo + 3Zn) Iao, Va1 = Ea1 - j X1 Ia1, Va2 = - j X2 Ia2 Sumando las tensiones de éstas secuencias tenemos Vao + Va1 + Va2 = - (j Xo + 3Zn) Iao + Ea1 - j X1 Ia1 - j X2 Ia2 Vao + Va1 + Va2 = Ea1 - (j Xo + 3Zn + j X1 Ia1 + j X2) Ia1 Pero VR = Vao + Va1 + Va2 entonces se puede expresar que VR = Ea1 - (j Xo Iao + 3Zn Iao + j X1 Ia1 + j X2 Ia2) Si aplicamos la condición de defecto VR = 0 Ea1 = (j Xo + 3Zn + j X1 + j X2) Ia1 MAQUINAS SINCRONAS e Ia1 = Ia2 = Iao (#) ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Para satisfacer las condiciones vistas en # es que el modelo necesariamente tiene que ser conectado en serie. CAUSAS DE LOS CORTO CIRCUITOS EN LOS SEPs Para proyectar un sistema eléctrico es necesario contar con un LAY OUT optimizado, con materiales de comprobada calidad, bien diseñados tomando las previsiones necesarias para la instalación y puesta en servicio. Así mismo el sistema deberá ser expuesto a las mas diversas condiciones e imprevisiones, donde las fallas aparecerán en puntos aleatorios al sistema. En tal sentido, éstas fallas se dividen como sigue: Problemas de aislamiento.- Las tensiones de los conductores del sistema son elevadas, en consecuencia, las fallas con respecto a tierra o entre líneas se debe a: . Trabajo inadecuado del aislamiento de los equipos ó estructuras. . Material utilizado de mala calidad. . Problemas de fabricación. . Envejecimiento de del propio material. Problemas mecánicos.- Son provocados por los fenómenos naturales y se afectan a la parte mecánica del sistema eléctrico. Estos pueden ser: . Ocasionados por el viento. . Ocasionados por la nieve. . Contaminación, árboles, humedad, etc. Problemas eléctricos.- Son los fenómenos producidos por los problemas intrínsecos de su naturaleza y son debidos a la operación del sistema, básicamente se pueden presentar: . Descargas atmosféricas en forma directa y/o indirecta. . Equipos de enclavamiento (maniobras del sistema). . Sobre tensión del sistema. Problemas de naturaleza térmica.- Se da con la humedad presente en los conductores y quipos del sistema, disminuyendo la vida útil de los materiales y perjudicando el aislamiento. Se dividen en: . Sobre corrientes como consecuencia de las sobrecargas del sistema. . Sobre tensión dinámica del sistema. Problemas de mantenimiento.- No respectar los estandares de inge-niería donde se desarrollaran los criterios y conceptos mínimos aceptables para optimizar el trabajo. Los mayores problemas se producen por: . Sustitución inadecuada de partes de los equipos. . Personal no entrenado y calificado. . Piezas de reposición no adecuados. . Falta de control de calidad en la compra de los materiales. . Inspección no adecuada de las redes. Problemas de otra naturaleza.- Se refiere a diversas circunstancias que se presentan y no han sido previstas tales como: MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS . Actos de vandalismo. . Incendios. . Inundaciones. . Accidentes de naturalezas varias. Tablas N° 3.- Ocurrencia de diversos cortos circuitos en los SEPs Tabla 3.1.- Ocurrencia de los defectos en un sistema eléctrico Sector del sistema eléctrico Ocurrencias en % Generación 6 Sub estaciones 5 Líneas de transmisión 89 Tabla 3.2.- Ocurrencia de los corto circuitos en % Tipo de corto circuito Ocurrencias en % Trifásico 6 Bifásico 15 Bifásico – tierra 16 Monofásico -- tierra 63 Tabla 3.3.- Ocurrencia de los corto circuitos permanentes y temporales. Corto circuito monofásico – t Permanente Temporales Ocurrencias en % 4 96 MOTOR SINCRONO Una máquina síncrona puede operar como motor y/o generador síncrono las características de funcionamiento son dados por el sentido del flujo de la energía eléctrica (P y Q), de allí que sucede que: . Generador síncrono en operación correcta (entrega P y Q a la red). . Motor síncrono en operación correcta (entrega Q y recibe P de la red). Cuando trabaja como motor su velocidad del rotor es mantenida por la energía eléctrica tomada de la red. La corriente eléctrica de la red entra a las bobinas de la armadura del motor creando un campo girante que se acopla y arrastra al campo magnético producido por la excitación del rotor. Por tanto el acoplamiento de dos campos magnéticos hacen que el rotor gire a la velocidad síncrona. El motor síncrono es usado generalmente para cargas pesadas. RED Ia IA Ib IB Ic IC WSINCRONA MOTOR SINCRONO CARGA PESADA Figura N° 12.- Modelos utilizados en los cálculos de las ICCs bifásico y monofásico tierra. El peso propio del rotor y la carga forman en conjunto, una masa muy grande, girando a la velocidad síncrona con una alta inercia rotacional. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 14 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Motor síncrono frente a un corto circuito en la red eléctrica.- Cuando esto ocurre la alta inercia de su rotación hace que su rotor continúe girando induciendo tensiones en su armadura que a su vez pasan a reemplazar el defecto con una corriente de cortocircuito proveniente del motor. Por tanto durante el corto circuito, el motor síncrono pasa a operar como generador. Este generador ya no es síncrono pues su velocidad va disminuyendo más y más hasta pararse. Debido a la alta rapidez en el sistema de protección del motor síncrono, se considera solamente la corriente inicial del corto circuito proveniente del motor síncrono. Ia1 Ia2 (+) j Xa1 Va1 (-) Em (+) j Xa2 ˜ Secuencia positiva Va2 (-) Secuencia negativa Iao (+) j Xao Iao (+) j Xao Vao Vao (-) (-) Secuencia cero directamente aterrado 3Zn Secuencia cero aterrado a través de una Zn Figura N° 12.- Modelos utilizados en los cálculos de las ICCs bifásico y monofásico tierra. Por tanto el modelamiento del circuito equivalente del motor síncrono por fase es la misma que el generador síncrono, considerando solamente la inversión de la corriente eléctrica. A continuación presentamos los circuitos equivalentes por fase de las secuencias : Positiva, negativa y cero. Para realizar el análisis hacerlo trabajar como si fuese en generador sincrono trifásico con una fuente Em. El motor se comvierte, durante un tiempo muy pequeño, en un generador aportando energía a la red. MOTOR ASINCRONO El motor asíncrono también se le llama motor de inducción. La velocidad de giro del rotor es menor que la velocidad síncrona (o de campo girante creado por los arrollamientos del estator). Esta diferencia de velocidad produce un deslizamiento del rotor induciendo corrientes en las barras de la jaula del rotor ( ó en las espiras de las bobinas del rotor cuando se trata de un rotor bobinado). Estas corrientes de reacción del rotor crean un campo girante que acompaña, con un cierto desfasamiento, respecto al campo girante del estator haciendo girar al rotor del motor de inducción. En este motor el campo girante del rotor es originado por la excitación proveniente del estator, y éste a su ves toma la energía eléctrica de la red que alimenta al motor de inducción. Motor Asíncrono frente a un corto circuito en la red eléctrica.- En un corto circuito próximo a los terminales del motor de inducción la tensión de las bobinas del motor deja de existir, consecuentemente dejando casi en forma instantánea, de existir la excitación del rotor. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 15 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS . Em es la tensión en los terminales del motor antes del defecto. . X1 es la reactancia de dispersión de las bobinas del estator. . X2 ’ es la reactancia de dispersión de las bobinas del rotor referidas al estator. Ia1 (+) Ia2 j ( X1 + X2’ ) Va1 ˜ Em (-) Secuencia positiva (+) j ( X1 + X2’ ) Va2 (-) Secuencia negativa Figura N° 13.- Circuitos equivalentes por fase de las secuencia positiva y negativa del motor de inducción asíncrono polifásico. El flujo magnético residual existente en el núcleo magnético del rotor se irá desapareciendo observándose un cambio brusco. Su valor va cayendo rápidamente de modo continuo y se extingue en 02 ciclos. De este modo el motor de inducción de gran tamaño se comporta como un generador eléctrico y contribuye con corriente eléctrica de corto circuito hasta 02 ciclos. Esta contribución se da solo en el periodo sub transitorio, no existiendo los periodos transitorio y de régimen permanente. Si los dispositivos de protección actúan con un tiempo mayor de 02 ciclos el motor de inducción puede no considerarse en el análisis del sistema eléctrico de potencia. Tabla N° 4.- Valores de X1 + X2’ de motores de inducción trifásicos POTENCIA (HP) Hasta 5 may-25 Mayor de 25 X1 0.10 0.12 0.15 + X2’ - 0.14 - 0.16 - 0.17 El valor inicial de la corriente de corto circuito es importante para realizar el análisis de las fuerzas electromagnéticas que actúan en la estructura del motor. De ésta manera presentamos el circuito equivalente por fase de las secuencias del motor asíncrono. El motor trifásico no tiene secuencia cero o sea su circuito equivalente es abierto. Los efectos resistivos de las bobinas del estator y rotor se desprecian por ser valores muy pequeños. Los valores de X1 + X2’ en p.u. tienen como base las reactancias nominales del motor de inducción trifásico y son presentados a continuación. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 16 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS FENÓMENOS TRANSITORIOS EN LOS GENERADORES SINCRÓNICOS Cuando el momento de torsión que se aplica al eje de un generador o su carga cambian repentinamente, siempre hay un estado transitorio, que dura un cierto periodo de tiempo antes de que el generador regrese a su estado estable. Por ejemplo, cuando un generador sincrónico se conecta en paralelo con un sistema de potencia en funcionamiento, inicialmente comienza a girar más rápido y tiene una frecuencia mayor que la del sistema. Una vez que se ha conectado en paralelo, hay un periodo transitorio antes de que el generador se estabilice y funcione con la frecuencia de la línea mientras entrega una pequeña cantidad de potencia a la carga. Figura N° 14.- a) Diagrama fasorial y campos magnéticos de un generador en el momento de conectarse en paralelo con un sistema de potencia grande. b) Diagramas fasoriales. Aquí, el rotor se ha adelantado a los campos magnéticos netos, produciendo un momento de torsión destrógiro. Este desacelera el rotor hasta la velocidad sincrónica del sistema de potencia. Aquí, el generador entrante no proporcionada ninguna carga, su corriente del estator es cero, Egp = Vtp y R = NETO. Exactamente a las t = 0, el interruptor que conecta el generador con el sistema de potencia se cierra, produciendo una circulación de la corriente del estator. Puesto que el rotor del generador todavía está girando más rápido que la velocidad del sistema, continúa adelantándose al voltaje del sistema Vtp. El momento de torsión inducido sobre el eje del generador se expresa por: ind = KR x neto La dirección de este momento de torsión es contraria al sentido del movimiento y aumenta a medida que el ángulo de fase entre R y neto (o Egp y Vtp) se incrementa. Este momento de torsión, contrario a la dirección del movimiento, desacelera el generador hasta que finalmente este gira a velocidad sincrónica con el resto del sistema de potencia. De manera similar, si el generador hubiera estado girando a una velocidad menor que la velocidad sincrónica cuando se puso en paralelo con el sistema, entonces el rotor habría caído por detrás de los campos magnéticos netos y se habría producido un momento de torsión en el sentido del movimiento sobre el eje de la máquina. Este momento aceleraría el rotor hasta que nuevamente comenzara a girar a velocidad sincrónica. Fenómenos transitorios por cortocircuito en los generadores sincrónicos MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 17 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS La condición transitoria más severa que puede suceder en un generador sincrónico es la situación en que repentinamente los tres terminales son puestos en corto. En un sistema de potencia, dicho corto se denomina falla. Hay varios componentes de corriente presentes en un generador sincrónico en corto, que se describirán a continuación. Los mismos efectos se presentan para condiciones transitorias menos severas, como cambios de carga, pero ellos son mucho más obvios en el caso extremo de un cortocircuito. Cuando ocurre una falla en un generador sincrónico, el flujo de corriente resultante en sus fases puede aparecer como se ve en la figura 15. Con anterioridad a la falla, solamente voltajes y corrientes de AC estaban presentes dentro del generador, en tanto que después de la falla, se encuentran corrientes tanto de AC como de DC. ¿De dónde provienen las corrientes continuas? Recuerde que el generador sincrónico es básicamente inductivo - está constituido por un voltaje generado internamente, en serie con la reactancia sincrónica. Recordemos también, que una corriente no puede cambiar instantáneamente en un inductor. Cuando se presenta la falla, la componente de corriente alterna salta a un valor muy alto, pero toda la corriente no puede cambiar en ese instante. La componente de cc es suficientemente grande, como para que la suma de los componentes de AC y DC sea igual a la corriente alterna que circula inmediatamente antes de la falla. Como los valores instantáneos que tiene la corriente en el momento de la falla son diferentes en cada fase, la magnitud del componente de cc será diferente en cada una de ellas. Estos componentes de cc decaen bastante rápido, pero inicialmente promedian entre un 50% y un 60% del flujo de AC, un instante después de producirse la falla. Por tanto, toda la corriente inicial es característicamente 1.5 ó 1.6 veces la componente de AC sola. La componente simétrica de AC se ilustra en la figura 15 y puede dividirse aproximadamente en tres periodos: durante más o menos el primer ciclo, después de que se presenta la falla, la corriente AC es muy grande y disminuye rápidamente. Este periodo de tiempo se suele denominar periodo subtransitorio. Después que termina, la corriente continua disminuyendo a menor velocidad hasta que por fin alcanza un estado estacionario. Al periodo de tiempo durante el cual disminuye a menor velocidad se le denomina periodo transitorio y al tiempo después de que alcanza el estado estacionario se le conoce como periodo del estado estacionario. Si la magnitud efectiva de la componente AC de corriente se grafica como una función de tiempo sobre una escala logarítmica, es posible observar los tres periodos que corresponden a la corriente de falla. Tal gráfica se puede ver en la figura donde es posible determinar las constantes de tiempo de la disminución de cada periodo. La corriente efectiva AC que circula por el generador durante el periodo subtransitorio se denomina corriente subtransitoria y se representa con el símbolo I''. Esta corriente se origina en las bobinas amortiguadoras de los generadores sincrónicos. Subtransitoria de cada reactancia. Reactancia transitoria. Reactancia de estado estable. Componente DC aperíodica. Contribución total de cada componente. MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 18 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Figura N° 15.- Corrientes de falla totales como una función de tiempo, durante una falla trifásica en los bornes de un generador sincrónico. La constante de tiempo de la corriente subtransitoria, se representa con el símbolo T'' y puede determinar a partir de la pendiente de la corriente subtransitoria en la gráfica de la figura 15. Esta corriente, con frecuencia, puede ser hasta unas 10 veces el tamaño de la corriente de falla de estado estacionario. La corriente efectiva que circula por el generador durante el periodo transitorio se denomina corriente transitoria y se representa por medio del símbolo I'. Se origina en una componente de DC, de corriente inducida en el circuito de campo, en el momento del corto. Esta corriente de campo aumenta el voltaje generado internamente y produce un incremento en la corriente de falla. Puesto que la constante de tiempo del circuito de campo de DC es mucho más larga que la constante de tiempo de las bobinas amortiguadoras, el periodo transitorio dura mucho más que el periodo subtransitorio. Esta constante de tiempo se representa por el símbolo T'. La corriente efectiva promedio, durante el periodo transitorio, es frecuentemente como cinco veces la corriente de falla de estado estacionario. Después del periodo transitorio, la corriente de falla MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 19 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS alcanza la condición de estado estable; se representa por el símbolo ISS y su magnitud aproximada se calcula dividiendo la componente de frecuencia fundamental del voltaje generado internamente por su reactancia sincrónica. I CC EGP XS estado estable La magnitud efectiva de la corriente de falla de AC en un generador sincrónico varía continuamente en función del tiempo. Si I'' es la componente subtransitoria de corriente en el instante mismo de la falla e I' es la componente momentánea de corriente en el momento de la falla, e ICC es la corriente de falla en estado estable, entonces la magnitud efectiva de la corriente en cualquier momento después de que sucede la falla en los terminales es I t I '' I ' e t / T '' I ' I CC e t / T ' I CC Figura N° 16.- Gráfica semilogarítmica de la magnitud de la componente de ca de la corriente de falla, como una función del tiempo. Las constantes de tiempo transitoria y subtransitoria del generador pueden determinarse a partir de dicha gráfica. Se acostumbra definir las reactancias subtransitorias y transitorias de un generador sincrónico, para describir cómodamente las componentes subtransitorias y transitorias de la corriente de falla. La reactancia subtransitoria de un generador sincrónico se define como la relación entre la componente fundamental de la tensión generada internamente y la componente subtransitoria de la corriente al comienzo de la falla. Se expresa por X '' Egp subtransitoria I '' En forma similar, la reactancia transitoria de un generador sincrónico se define como la relación de la componente fundamental de Egp con la componente de la corriente I' al comienzo de la falla. Este valor de corriente se halla extrapolando la región subtransitoria de la figura 3.52, volviendo a la hora cero: X ' MAQUINAS SINCRONAS E gp I' transitoria ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 20 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS Para efectos de dimensionar equipo protector, frecuentemente se supone que la corriente subtransitoria es Egp/X'', y que la corriente transitoria Egp/X' puesto que estos son los valores máximos que las respectivas corrientes podrán alcanzar. Obsérvese que en el estudio anterior, sobre fallas, se supuso que las tres fases estaban en corto simultáneamente. Si la falla no involucra las tres fases en la misma forma, entonces se necesitan métodos de análisis más complejos para lograr comprender esto. Estos métodos (conocidos como componentes simétricos) están por fuera de los alcances de este libro. Ejemplo Un generador sincrónico trifásico de 60 - Hz, con conexión de estrella, de 100 MVA y 13.8 kV está funcionando con voltaje nominal en vacío cuando se produce una falla trifásica en sus terminales. Sus reactancias, en por unidad, en la propia base de la máquina son: Xs = 1.0, X'= 0.25, X''= 0.12. Y sus constantes de tiempo T' = 0.04 seg. y T'' = 1.10 seg. La componente inicial de cc en esta máquina promedia el 50% de la componente inicial de AC. ¿Cuál es la componente de AC de corriente en este generador en el instante siguiente al momento de falla? ¿Cuál es la corriente total (AC más DC) que fluye por el generador, inmediatamente después de que se produce la falla? ¿Cuál será la componente de AC de la corriente, después de dos ciclos? ¿ Cuál será la componente de AC de la corriente, después de cinco ciclos ? Solución La corriente de base de este generador se expresa mediante la ecuación IL base = Sbase / 1.7321.Vbase = 100 MVA/1.7321 x 13.8 kV = 4184 A. las corrientes subtransitorio, transitoria y de estado estable, en por unidad son Eg 1.0 8.333 p.u. X ' ' 0.12 I' ' 8.3334,184 A 34,900 A ' I 'p.u. E A 1.0 4.00 p.u. X ' 0.25 I' 4.004,184 A 16,700 A I 'pu E A 1.0 1.00 p.u. X 1.0 1.004,184 A 4,184 A I CC p.u . I CC La corriente de AC inicial de la corriente es I'' = 34,900 A. La corriente total (AC más DC) al comienzo de la falla es Itot 1.5x I'' = 52,350 A La componente de AC de corriente como función del tiempo se expresa por medio de la ecuación MAQUINAS SINCRONAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 21 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS l (t ) I ' ' I 'e t / T '' I ' I CC e t / T ' I CC 18,200e -t/0.04s 12,516e -t/1.1s 4,184 A En dos ciclos, t = 1 s, la corriente total es 30 1 I 7,910 A 12,142 4,184 A 24,236A 30 Después de dos ciclos, la componente transitoria de corriente claramente es la más grande y en esta oportunidad está en el periodo transitorio del cortocircuito. A los 5 ciclos, la corriente baja a I(5) = 0 A + 133 A + 4,184 A = 4,317 A Esto hace parte del periodo de estado estable del cortocircuito. Tarea domiciliaria: Utilizando los parámetros de los 08 generador sincrónicos de la tabla siguientecon conexión de estrella, están funcionando con voltaje nominal en vacío cuando se produce una falla trifásica en sus terminales. Sus reactancias, en por unidad, en la propia base de la máquina. Utilizando el mismo procedimiento del problema anterior se le solicita hallar: ¿Cuál es la componente de AC de corriente en este generador en el instante siguiente al momento de falla? ¿Cuál es la corriente total (AC más DC) que fluye por el generador, inmediatamente después de que se produce la falla? ¿Cuál será la componente de AC de la corriente, después de dos ciclos? ¿ Cuál será la componente de AC de la corriente, después de cinco ciclos ? PARÁMETROS DE LAS MÁQUINAS SÍNCRONAS INSTALADAS EN EL SEIN VALORES REFERIDOS A LA BASE DE LA MAQUINA No GRUPO Tipo 01 02 03 04 05 06 07 08 MATUCANA HUAMPANI SANTA ROSA BBC_2_3 SANTA ROSA BBC_4 HUINCO MANTARO I MANTARO II RESTITUCION H H TG TG H H H H MAQUINAS SINCRONAS No de Tensión S GD^2 cos H (s) Grupos (kV) (MVA) (RPM) (Tn-m^2) 2 2 2 1 4 3 4 3 12.50 10.00 10.00 13.80 12.50 13.80 13.80 13.80 80.00 22.40 18.40 28.50 85.00 120.00 120.00 82.50 0.75 450 0.70 720 0.80 3600 0.80 3600 0.76 514 0.95 450 0.95 450 0.85 200 2.12 2.85 588.00 1811.13 1811.13 5000.00 Xd (p.u.) X'd (p.u.) X''d (p.u.) Xq (p.u.) 2.90 1.61 1.200 1.380 0.240 0.290 0.180 0.180 0.780 0.700 1.77 2.20 4.19 4.19 3.32 2.160 1.350 1.036 1.036 1.017 0.228 0.320 0.345 0.345 0.296 0.152 0.200 0.203 0.203 0.208 2.090 0.810 0.702 0.7024 0.568 ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 22 ME III 11 FENOMENOS TRNASITORIOS DE MAQUINAS SINCRONAS No 01 02 03 04 05 06 07 08 X'q (p.u.) X''q (p.u.) Xp (p.u.) 0.380 0.152 0.155 0.690 0.700 0.650 0.221 0.221 0.238 0.190 0.239 0.185 MAQUINAS SINCRONAS XL (p.u.) T'do (s) 0.110 0.110 5.330 5.330 0.120 0.120 0.160 0.160 0.130 9.600 5.330 7.297 7.297 5.500 T'd (s) T''do (s) T''d (s) 0.053 0.064 1.010 2.430 2.430 1.600 0.045 0.060 0.117 0.070 0.075 T''qo (s) T''q (s) Ta (s) R2 (p.u.) X2 (p.u.) Ro (p.u.) Xo (p.u.) 0.070 0.070 0.030 0.075 0.060 0.053 0.460 0.070 0.070 0.070 Ra Rn 0.399 4300.800 0.410 0.033 0.055 0.140 0.055 0.140 0.054 0.169 0.152 0.021 0.021 0.031 0.212 0.212 0.224 0.082 0.003 0.003 0.006 ING. HUBER MURILLO MANRIQUE 0.120 0.120 0.130 0.002 0.101 0.101 0.002 2692.800 2268.431 2268.431 1299.622 Page 23 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS PROBLEMAS DE MAQUINAS SINCRONAS PROBLEMA N° 1.- Un generador síncrono de cuatro polos con conexión en δ, de 480 - v 60 hz, tiene las siguientes características de vacío. este generador tiene una reactancia sincrónica. CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITO ABIERTO S Egf 36,87º S IA X IA Z V IA R A IA=693A DIAGRAMA FASORIAL DE LA MAQUINA SINCRONA La reactancia del inducido es de 0.1 y una resistencia del inducido de 0.015 por fase. A plena carga, la máquina suministra 1200 A con factor de potencia de 0.8 en atraso. Bajo condiciones de plena carga, las pérdidas por fricción y por roce con el aire son de 40 kW y las pérdidas en el núcleo son de 30 kW. Despreciar las pérdidas del circuito de campo. A. Hallar la velocidad de rotación de este generador. B. Hallar la corriente de campo que debe suministrarse al generador para lograr la tensión de los bornes de 480 V en vacío. C. Si el generador se conecta a una carga de 1200 A con factor de potencia de 0,8 en atraso, ¿cuánta corriente de campo se requerirá para mantener la tensión en los terminales en 480 V? D. ¿Cuánta potencia está suministrando ahora el generador? E. ¿Cuánta potencia le entrega el motor primario al generador? F. ¿Cuál es la eficiencia global de la máquina? G. Si la carga del generador se desconecta súbitamente de la línea, ¿qué pasaría con la tensión de los terminales? H. Por último, suponga que el generador se conecta a una carga de 1200 A con un factor de potencia de 0,8 en adelanto. ¿Cuánta corriente de campo se requerirá para mantener V a 480 V? Solución MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Este generador síncrono está conectado en Δ, así que su voltaje de fase es igual a su voltaje de línea Vtp = VT en tanto que su corriente de fase se relaciona con su corriente de línea por la ecuación IL = 3I A.- La relación entre la frecuencia eléctrica producida por un generador síncrono y la velocidad de rotación del eje se expresa por medio de la ecuación: Por lo tanto f = n x p / 120 n = 120 x 60 / 4 = 1800 RPM B.- En esta máquina VT= Vtp . Puesto que el generador está en vacío, IA= 0 y Egp = Vtp por consiguiente, VT = Vtp = Egp = 480 V y de la característica de circuito abierto IF = 4.5 A. Si el generador entrega 1 200 A, entonces la corriente de inducido en la máquina es: IA = 1200/1.7321 = 693 A Corriente de fase En el diagrama fasorial de este generador. Si se ajusta la tensión terminal para que sea de 480 V, la magnitud de la tensión generada internamente Egf se da por: Egf = V + Ra.Ia + jXs.Ia Egf = 480<0° + (0.015<0° x 693<-36.87) + (0.1<90° x 693<-36.87) Egf = 480<0° + (10.39<-36.87) + (69.28<-53.13) Egf = 529.9 + j 49.2 = 532 < 5.3 Voltios C.- Para mantener la tensión V en 480 V, Egp se debe ajustarse en 532 V. En la las características de vacío se puede observar que la corriente de campo requerida es de 5.7 A. D.- La potencia que el G.S. está suministrando ahora se puede hallar por medio de la ecuación: P = 1.7321 x V . IL Cos Φ = 1.7321 x 480 x 1200 x Cos 36.87° = 798 kW E.- Para conocer la potencia de entrada al generador, se usa la siguiente expresión: Pent = Psal + Pperd elec + Pperd núcleo + Pperd mec + Pcampo En este generador, las pérdidas eléctricas son: Pperd elec = 3 x Ia² Ra = 3 x 693 x 0.015 = 21.6 kW Las pérdidas del núcleo son 30 kW y las de fricción y roce con el aire 40 kW, de donde la entrada total de potencia al generador es: Ppent = 798 kW + 21.6 kW + 30 kW + 40 kW = 889.6 kW G.- Por tanto, la eficiencia global de la máquina es: La eficiencia ɳ = ( Psal / Pentrda) x 100 = (798/889) x 100 = 89.7% Si la carga del generador se desconectara súbitamente de la línea, la corriente IA caería hasta cero, haciendo Egf = V como la corriente de campo no se ha modificado, Egf tampoco ha MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS cambiado y V debe elevarse hasta igualar Egf. Entonces, si la carga se suspendiera abruptamente, la tensión de los bornes del generador se elevaría hasta 532 V. H.- Si el generador se carga con 1200 A con un factor de potencia de 0,8 en adelanto, teniendo la tensión de los bornes en 480 V, entonces la tensión generada internamente tendría que ser: Egf = V + Ra.Ia + jXs.Ia Egf = 480<0° + (0.015<0° x 693<36.87) + (0.1<90° x 693<36.87) Egf = 480<0° + (10.39<36.87) + (69.28<126.87) Egf = 446.7 + j 61.7 = 451 <7.9 Voltios Por lo tanto, la tensión interna generada Egf debe graduarse para entregar 451 V si V tiene que mantenerse en 480 V. Empleando la característica de circuito abierto, la corriente de campo se tendría que graduar para 4.1 A. Tarea domiciliaria ¿Qué clase de carga (en adelanto o en atraso) necesita una corriente de campo mayor para mantener el voltaje nominal? ¿Qué clase de carga (en adelanto o en atraso) imprime mayor esfuerzo térmico sobre el generador? ¿Por qué? PROBLEMA N° 2.- Un generador síncrono de seis polos, conectado en Y a 480 - V 60 Hz, tiene una reactancia sincrónica por fase de 1.0 . Su corriente de inducido a plena carga es de 60 A con un factor de potencia de 0.8 en atraso. Este generador tiene unas pérdidas por fricción y por roce del aire de 1.5 kW y pérdidas en el núcleo de 1.0 kW a 60 Hz a plena carga. Como se desprecia la resistencia del inducido, suponga que las pérdidas I2R también se desprecian. La corriente de campo se gradúa de tal manera que la tensión en los bornes sea de 480 en vacío. Que esté cargado a corriente nominal con factor de potencia 0.8 en atraso Que esté cargado a corriente nominal con factor de potencia de 1.0 Que esté cargado a corriente nominal con 0.8 en adelanto. A.- ¿Cuál es la eficiencia de este generador (despreciando las pérdidas eléctricas desconocidas cuando funciona a corriente nominal y con factor de potencia de 0.8 en atraso? B.- ¿Cuánto momento de torsión en el eje debe aplicarle el motor primario a plena carga? ¿De qué magnitud es el momento de torsión antagónico? C.- ¿Cuál es la regulación de voltaje para este generador con factor de potencia de 0.8 en atraso? ¿Con factor de potencia de 1.0? ¿Con factor de potencia de 0.8 en adelanto? Solución Este generador está conectado en Y, así su voltaje de fase se expresa por Vf = V / 3 esto significa que cuando V se gradúa en 480 V, Vf = 277 V. La corriente de campo se gradúa en tal forma que Vvacío = 480 V, así que Vf = 277 V. En vacío, la corriente de inducido es cero, así que la tensión de reacción del inducido y la caída de IARA son iguales a cero. Como IA = 0, el voltaje generado internamente Egf = Vf = 277 V. El voltaje generado interiormente Egf = K n varía MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS sólo cuando la corriente de campo cambia. Como el problema establece que la corriente de campo solamente se ajusta inicialmente, la magnitud del voltaje generado internamente es Egf = 277 V a todo lo largo de este problema. La velocidad de rotación de un generador sincrónico en revoluciones por minuto, se expresa por medio de la ecuación: Por lo tanto f = n x p / 120 n = 120 x 60 / 6 = 1200 RPM De donde: Si el generador está cargado a corriente nominal con factor de potencia de 0.8 en atraso el diagrama fasorial resultante se asemeja al que se muestra en el problema anterior. En este diagrama fasorial sabemos que V tiene un ángulo de 0°, que la magnitud Egf es 277 y que la magnitud jXsIA es: jXsIA = (1.0 90) (60 -36.87°) = 60 53.13° V Las dos magnitudes que no se conocen en el diagrama de tensión son las que corresponden a V y el ángulo de Egf. Para encontrar estos valores, la manera más fácil es construir un triángulo rectángulo en el diagrama fasorial, se puede deducir que: Egf ² = (V + Ia Xs Sen Φ)² + (Ia Xs Ia Cos Φ )² Por lo tanto, el voltaje de fase para la carga nominal y con factor de potencia de 0.8 en atraso es: (277)² = [V + (1.0)(60)(Sen36.87)]² + [(1.0)(60)(Cos36.87)]² 744.25 = (V + 36 )² V = 236.8 Voltios EGP Ia FACTOR DE POTENCIA UNITARIO S IaXS 0º EGP UTP Ia X (277)² = [V +36]² + [48]² UTP Ia FACTOR DE POTENCIA 0.8 ATRAZO IA EGP=277 jXSIA UTP FACTOR DE POTENCIA 0.8 CAPAPCITIVO Diagramas fasoriales: Factores de potencia unitario, en atraso y en adelanto. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Como el generador está conectado en Y, V = 3Vtp 410 V . Si el generador está cargado a la corriente nominal con factor de potencia unitario entonces, el diagrama fasorial se puede ubicar a continuación. 2 E gp Vtp2 X S I A 2 (277) 2 Vtp2 (60) 2 76.729 Vtp2 3600 Vtp2 73.129 Vtp 270.4 V Entonces , VT 3V 468.4 V Cuando el generador está cargado a la corriente nominal con factor de potencia de 0.8 en adelanto. La ecuación resultante es: 2 E gp (Vtp X S I A sen ) 2 X s I A cos 2 Por lo tanto, el voltaje de fase a la carga nominal y con factor de potencia de 0.8 en adelanto es: 277 2 V 1.060 A sen 36.872 1.060 A sen 36.872 2 76.729 V 36 2,304 2 74.425 V 36 272.8 V - 36 V 308.8 V Puesto que el generador está conectado en Y, U = 3V 535 V. La potencia de salida en este caso, a 60 A y con factor de potencia de 0.8 en atraso es: Psal 3 U I A cos Psal 3 535 60 0,8 Psal 34.1 kW La entrada de potencia mecánica se encuentra mediante Pent = Psal + Perd elect + Pperd MAQUINAS ELECTRICAS III núcleo + Perd mec. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Pent = 34.1 kW + 0 + 1.0 kW + 1.5 kW = 36.6 kW La eficiencia del generador es así: P sal x 100% Pent 34.1 kW x 100% 36.6 kW 93.2% Pent El momento que se aplica al generador se expresa por la ecuación: de donde : 2 Tn 60 Pent 2 n 60 36,6 kW T 2 1200 60 T T 291,2 N - m El momento de torsión antagónico inducido sería. Por lo tanto : Pconv T ind n 2 60 Pconv 2 n 60 34100 2 1200 60 271,3 N - m T ind T ind T ind La regulación de voltaje de un generador se define como : U reg% Eg U tp p .c . U tp p .c . 100% Según esta definición, la regulación de voltaje para casos de factor de potencia en atraso unitaria y en adelanto son: MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS 480V 410 V 100% 71.1% 410V 480V 468 V 100% 2.6% 468 V 480V 535V 100% 10.3% 535V U reg % U reg % U reg % En el problema las cargas en atraso dieron lugar a la caída de la tensión de los bornes; las cargas con factor de potencia unitario tuvieron poco efecto en VT y las cargas en adelanto dieron lugar a un aumento en la tensión de los bornes. PROBLEMA N° 3.- Se tiene un alternador de 20 KVA, 220 Voltios, 60Hz, Y, es sometido a pruebas de vacío (Vvacío = 200 Voltios, If = 3 Amp.) y corto circuito (Icc = Inominal, If = 2.2 Amp.). También entre dos de sus tres bornes se ha aplicado una tensión 20 VDC, obteniéndose una corriente de 75 Amp. Asumir que RaAC / RaDC = 1.4. En estas condiciones se le solicita determinar: La Zs en forma rectangular La reg (%) cuando el generador trabaja a Vn y Sn. Y un FP = 0.6 en retraso Z 0.1867 j1.6025 /f 61.18% a.- 1 20 Ra ( ) x 0.1333 2 75 Ra (AC) 0.1867 IN 200 X 3 2.2 20000 52.5 A 3 x 220 X 146.7 Volt. Línea X 84.7 Volt. Fase MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS 84.7 Zs x 52.5 Zs 1.6133 Zs Ra jXs 1.61332 0.1867 2 Xs 2 Zs 0.1867 j1.6025 1.6133 FP 0.6 x I I N 52.5 53.13 A Xs 1.6025 53.13 Ea 127 0 1.6133 83.4 x 52.5 - 53.13 127 0 84.7 30.27 Ea 204.7 12.04 Volt. 127 Regul (%) 204.7 61.18 % 127 PROBLEMA N° 4.- Se tiene un generador síncrono de 50 Hz y cuatro polos y es impulsado a 1000 RPM. En estas condiciones se le solicita determinar: Eaf 1 K x x RPM1 K x x 1800 Eaf 2 K x x RPM 2 K x x 1000 Eaf 2 K x x 1800 Eaf 1 K x x 1000 Eaf 2 0.56 x Eaf 1 Xs Xe X ad 120 x F 1000 RPM 4 Xs 2 π x f x L El efecto sobre la tensión que El efecto sobre su reactancia El efecto sobre su genera de fuga de la armadura reacción de armadura Xs 2 Xs1 F2 60 Xs 2 F2 33.33 Hz 33.33 x Xs1 60 F1 60 Hz Xe 2 0.56 Xe1 Xad 2 0.56 Xad1 MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS E G2 0.5 . E G1 Xra 2 0.56 Xra1 X 2 0.56 X1 En vacío no hay PROBLEMA N° 5.- Un alternador de 600 KVA y 625 Voltios que estaba conectado en delta, reconecta en estrella. En estas nuevas condiciones se le solicita sus parámetros nominales de: Tensión Corriente 216.5 Volt 1600 A Potencia Aparente 600 A 600 3 x 125 x 3 1600 A I NY 600 KVA I N 60 / 3 x 125 2771 A PROBLEMA N° 6.- Un alternador trifásico conectado en estrella de 1500 KVA, 13 KV tiene una resistencia de armadura de 0.9 y una reactancia síncrona igual a 8.0 . Cuando soporta la carga nominal a tensión nominal, calcular la tensión generada por fase si las cargas tienen un factor de potencia como se indica en la tabla. Así mismo determinar su regulación para cada caso. Vf 7506 Volt 1500 KVA - Y - 13 KV Zs 0.9 j 8 a I N y VN I N 1500 / 3 x 13 66.62 A FP 1 0 Ea 7506 0 8.05 83.6 x 66.62 0 7584.7 4.03 Volt Zs 8.05 83.6 Ea 7584.7 4.03 Volt Regul (%) 7584.7 - 7506 / 7506 1.05 % MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS FP 0.8 I - 36.87 Ea 7506 0 8.05 83.6 x 66.62 - 36.87 Ea 7883.4 2.84 Volt Regul (%) 7883.4 - 7506 / 7506 5.03 % FP 0.8 C 36.87 Ea 7249 3.66 Volt Regul (%) 7249 - 7506 / 7506 - 3.42 % FP = 1 FP = 0.8 retraso FP = 0.8 adelanto Tensión generada 7584.7 Volt 7883.4 Volt 7249 Volt Regulación (%) 1.05 % 5.03 % -3.42 % PROBLEMA N° 7.- Un alternador trifásico de 220 Voltios, 100 KVA conectado en Y tiene una resistencia de armadura de 0.1 / fase y una reactancia igual a 0.5 / fase. Suponiendo que cuando se conecta a una carga con FP = 0.4 en atraso suministra la corriente nominal, y que la reacción de la armadura tiene un efecto igual al doble de la reactancia de armadura (siendo el efecto de saturación despreciable). En estas nuevas condiciones se le solicita determinar: a.- La tensión sin carga cuando se desconecta la carga y son iguales la velocidad y la corriente de campo. b.- La tensión sin carga necesaria para producir la corriente nominal suponiendo que se pusiera el alternador en corto circuito. 100 KVA / 220 Volt / Ra 0.1 / f / Ys 0.5 / f - Y I N 1500 / 3 x 13 262.4 Volt FP 1 0 Xs X Xra 0.5 2 (0.5) 1.5 Zs 0.1 j 1.5 1.5033 86.2 / f a.- 515.77 Volt b.- 394.5 Volt a. V sin carga ( I L 0 ) si RPM e if son ctes. Ea 127 0 1.5033 86.2 x 262.4 - 66.4 Ea 515.77 15 Volt MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS b. Ea Zs x I N 1.5033 x 262.4 Ea 394.5 Volt PROBLEMA N° 8.- Se tiene una carga de 300 KW a 60 Hz y las únicas fuentes de potencia disponibles funcionan a 50 Hz. Se decidió utilizar motor síncrono – generador síncrono. Si estamos a nivel de diseño, cuantos polos deben tener cada una de las máquinas para que pudieran convertir la energía de 50 a 60 Hz. RPMs 120 Fs / P 120 (50) 120 (60) RPMs P1 P2 Motor síncrono de 10 polos. Generador síncrono de 12 polos. PROBLEMA N° 9.- Un generador síncrono de 02 polos, Y, FP = 0.8 I, 1 MVA, 2.3 KV , tiene una reactancia sincronía de 1.1Ω/f y la resistencia de armadura 0.15 Ω/f (en AC) y 60Hz. Durante su funcionamiento presenta unas pérdidas por fricción y ventilación de 24 KW y sus pérdidas en el núcleo son de 10 KW. El circuito de campo se alimenta de una fuente de 250 Voltios y una corriente máxima de 20 A. Responder las Preguntas: a) En la curva adjunta hallar If cuando los instrumentos indican 2300 Voltios. Hacer el diagrama fasorial. b) Hallar Eaf en condiciones nominales y ¿Cuánto es el valor de If en estas condiciones? Diagrama Fasorial c) Hallar torque suministrado por el motor primo y la eficiencia del G.S? d) Halla la Regulación en el caso B e) Construya las Curvas de capacidad del generador e indique los valores de S, P, Q y FP prácticos. El generador es regulado a If = 4.5 A. En estas condiciones se les solicita responder las preguntas e y f f) ¿Cuál es la tensión V del GS cuando alimenta una carga de 20∟30Ω, conectada en ∆. En estas condiciones dibuje el diagrama unifilar del GS. Además hallar Eaf y la eficiencia. Si la tensión V no fuese la adecuada que debe hacerse para restablecerlo a su valor nominal? Hallar If, Eaf y la eficiencia a) Hallar la if necesaria para que V = 2300 Voltios en vacío. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Zs 0.15 j1.1 1.11 82.23 Hacer el diagrama vectorial. Eaf Xs Xd IX S IZ S Xar Zs V IR A IA RA b) Cuál es la tensión generada en condiciones nominales. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS 1000 251 A 3 x 2300 FP 0.8 Ia Ia 251 - 36.87 A - 36.87 E G 1328 0º 1.11 82.23 x 251 - 36.87 1328 0º 278.6 45.36 1537 7.4 Vfase En estas condiciones If =? 2662 Vlinea De la curva E G 2662 Volt. If 5.8 A c.- ¿Qué potencia y torque deberá suministrar el motor primo?. También hallar la EF del G.S. PUTIL 3 x V x Ia x FP 3 x 1328 x 251 x 0.8 800 KW Pérdidas PCU PFRIC Vent. PNUCLEO PCU 3 x (251) 2 x 0.15 28.4 KW PPERDIDAS 28.4 24 10 62.4 KW PMOTOR PRIMO 862.4 KW 862.4 T d.- 2286 N - m π x 3600 30 800 η 92.8 % 862.4 Regul. 2662 - 2300 15.7 % 2300 e.- Construya las curvas de capacidad del generador. 3V 2 3 x 13282 - 4810 KVAR Xs 1.1 3 V E G 1328 x 3 x 1537 DE 5567 KVA Xs 1.1 S N 1000 36.87 KVA Q 800 j 600 KVA PPRACTICO 740 KW Q PRACTICO 250 KVA El G.S es regulado a If = 4.5 A en estas condiciones: MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS f.- Cual es la tensión VT del G.S cuando alimenta una carga conectada en cuya impedancia es 2030º . Con: If 4.5 A E G 2350 Vlinea E G 1357 Vfase Ra R1 x R 3 R1 R 2 R 3 20 x 20 20 20 20 Z 6.67 30º Dibuje el diagrama fasorial G.S Si ahora se conecta otra carga idéntica en paralelo con la anterior. ¿Qué le ocurre al diagrama fasorial del G.S y cual es VT después de agregar la carga? Z L 3.33530º Ω 1357δ 1.1182.23 3.33530 1357δ Ia 330.2 δ - 42.33 4.109642.33 Ia I L 330.2 - 30 V T E G (X L Z S ) . Ia Ia δ 12.33 135712.33 - 1.1182.23 x 330.252.23 ̅ Que debe hacerse para restablecer el Como √ . = 1325 Volt. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 14 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS ̅ ̅ ̅ √ PROBLEMA N° 10.- Un GS , conexión Y, FP = 0.85 I , 100 MVA , 11.8 kv , 50 Hz , tiene una Xs = 0,8 pu y Ra = 0.012 pu, 20 polos . En estas condiciones se les pide calcular: a) Los Valores de Xs y Ra en Ω / fase. b) Ea y ∂ cuando el GS trabaja en condiciones nominales. c) Despreciando las pérdidas ¿Cual es el torque (Kgr – m), aplicado por el motor primo al GS en condiciones nominales. a.- 100MVA, 11.8 kV, 50Hz, Xs = 0.8pu Ra = 0.012 pu Xs = 1.1139 Ω b.- Ra = 0.0167 Ω ̅ ̅ c.- PROBLEMA N° 11.- Se tiene un alternador de 750 KVA, 1380 volt., 60 Hz, conectado en triangulo (asumir que el generador se encuentra trabajando en la zona lineal). El Alternador ha sido sometido a pruebas de vacío y cortocircuito obteniéndose los resultados siguientes: MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 15 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Ensayo de vacío : Vo = 1020 volt. Ensayo C.C. : If = 19.5 Amp. Ra = 0.9 If = 17.50 Amp. I = INOM. Se pide calcular: A. Reg.(%) a SN y Cos =1, , If. B. Reg.(%) cuando la conexión de ZL es y ZL = 6+j6 /fase. C. Reg.(%) cuando la conexión de ZL es y ZL = 2.5+j1.5 . D. Modelos y diagramas fasoriales en cada uno. Solución: Ia = 28.4616 Amp. CC V = 20 Volt. CC R = 0.7027 RT = R(1+0.0039(90-18)) RT = 0.7027(1.2808) = 0.9 SN = 750 KVA = 3 INOM. Va INOM. = 750 000 / 31380 = 181.2 Amp.fase INOM.LINEA = (√3) INOM. = (√3) 181.2 = 313.8 Amp.línea Asumiendo la velocidad constante y estando en la zona lineal. Ea(C.C.) = 19.5 1020 17.5 Ea(C.C.) = 1136.6 volt. En Cortocircuito: Zs = Ra + jXa Zs = 1136.6 / 181.2 = 6.27 Xs = (6.272 – 0.92)1/2 = 6.2 Zs = 6.265 81.74° Para condiciones lineales MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 16 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS a) Trabajando a SNOM. y Cos = 1 se tiene: ∟ Va = 1380∟0° Ea = 1380 ∟0° + (181.2∟0° 6.265 ∟81.74°) Ea = 1380 ∟0° + 1135.2∟81.74° Ea = 1908.7∟36.1° volt. Regul.(%) = (Ea – Va) / Va Regul.(%) = (1908.7 – 1380) / 1380 = 38.4% Luego de la línea de carga: If = 1909.7 17.5 1020 De donde: If = 32.76 Amp. b) Reg.(%) cuando la conexión de ZL es y ZL = 6+j6 /fase. Va = 1380 ∟0° ZL = 6 + j6 ZL = 8.49∟45° Ea = Va ∟0° + I Zs Ea = 1380 0° + (162.54 -45° 6.265 81.74°) Ea = 1380 0° + 1018.3 36.74° Ea = 2279∟15.5° volt. Regul.(%) = (2279 – 1380) / 1380 = 65% Luego de la línea de carga: If = 2279 17.5 1020 De donde: If = 39.1 Amp. c).- Conexión de la carga en Y la cual debe ser conectada en eficiencia, y debe consumir la misma potencia aparente. para lograr su máxima ZL = 2.92L31° = 2.5 + j1.5 /fase De la conexión anterior: R12 = R1.R2 + R1.R3 + R2.R3 = K R3 R3 R12 = 3 ZL2 = 3 ZL ZL Ahora: ZL() = 3 2.92 L31° = 8.76 L31° I = (1380L0° ) / ( 8.76 L31° ) = 157.50L-31° A MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 17 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS Ea = 1380 L0° + (157.5 L-31° 6.265 L81.74°) Ea = 1380L0° + 986.7L50.74° Ea = 2145.1 20.86° volt. Regul.(%) = (2145.1 – 1380) / 1380 = 55.44% Luego de la línea de carga: If 17.5 = 2145.1 1020 De donde: If = 36.8 Amp. d).- diagramas fasoriales PROBLEMA N° 12.- Un G.S de 02 polos, Y, f.p = 0.8I,1MVA,2.3KV, tiene una reactancia síncrona de 1.1 ⁄ y la resistencia de armadura de 0.15 ⁄ (en AC) y 60 hz. Durante su funcionamiento presenta unas pérdidas por fricción y ventilación de 24 kW y sus pérdidas en el núcleo son de 18 kW.El circuito de campo se alimenta de una fuente de 250 Voltios y una corriente de 20 A . A continuación hallar: A.- if cuando los instrumentos indican 2300 Voltios en vacio. B.- Eaf en condiciones nominales y ¿Cuánto es el valor de if en estas condiciones? C.- Torque suministrado por el motor primo y la eficiencia del G.S? D.- Regulación en el caso B. E.- Construya las curvas de capacidad del G.S e indique los valores de S,P,Q y FP prácticos. Si el G.S es regulado a if=4.5A . En estas condiciones responder: F.-Cual será V cuando alimenta una carga de , además hallar la regulación y la eficiencia. G.- Si ahora se conecta una carga de conectada paralelo a la anterior .Dibuje un solo diagrama fasorial del caso F y G en un grafico. H.- Si la tensión V no fuese la adecuada, en las condiciones G que debe hacerse para restablecerlo a su valor nominal ¿Hallar if , Eaf y la eficiencia del G.S cuando se ha restablecido sus características nominales. En la figura que adjuntamos debe mostrarse parte de las respuestas A,B,F,G Y H SOLUCION A.- De la grafica MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 18 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS B.- La tensión generada en condiciones nominales √ √ ̅̅̅ ( ) ( ( √ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ MAQUINAS ELECTRICAS III ̿ ) ) ( ) ̅̅̅ ( ) ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 19 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS ̅̅̅̅̅̅ ( ) C.- El toque y eficiencia D.- La regulación es; E.- Construyendo las curvas de capabilidad del generador 22° CURVA DE CAPABILIDAD MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 20 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS F.- Cual será V cuando alimenta una carga de regulación y la eficiencia. , además hallar la DE DELTA A ESTRELLA ( ) (ZL=ZA=ZB=ZC) ̅̅̅̅̅̅ ( ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅ ( MAQUINAS ELECTRICAS III ) ̅̅̅ ( ̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̿ ̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅ ) ) ̅̅̅ ̅̅̅ ( ) ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 21 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS ̅ ( ̅ ) ( ) G.-Si ahora se conecta una carga de conectada solo diagrama fasorial del caso F y G en un grafico. La impedancia ZL anterior: paralelo a la anterior .Dibuje un Si ponemos en paralelo tendremos una nueva ̅̅̅̅̅̅ ( ) ̅̅̅̅̅̅ ) ̅̅̅ ( ̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̿ ̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅ ̅ ̅̅̅ ( ) ̅̅̅ ̅̅̅ ( ̅ ) ( ) ( ) DIAGRAMA FASORIAL DEL CASO F Y G EN UN GRAFICO. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 22 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS H.- Si la tensión V no fuese la adecuada, en las condiciones G que debe hacerse para restablecerlo a su valor nominal. ( √ ) ( ̅ ̅̅̅ ( ̅̅̅̅̅̅ ̿ ) ̅̅̅ ( ̅̅̅ ) ) ̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ( ̅̅̅̅̅̅ ) ( ) ( ) PROBLEMA N° 13.- Un G.S Y fp 0.8(I) ,20MVA,13.8kV,60hz , tiene una reactancia síncrona de 0.7 p.u y la resistencia de armadura es despreciable. El generador es conectado es paralelo a una red infinita de 13.8Kv ,60hz con una capacidad de suministrar o consumir potencia activa y reactiva a la misma frecuencia y tensión terminal. A.- Cual es la resistencia y reactancia síncrona en ⁄ B.- la tensión inducida a condiciones nominales. C.- la corriente de armadura a condiciones nominales. MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 23 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS D.- Suponga que el G.S está operando a condiciones nominales, si la tensión inducida decrece 5% cual será la nueva corriente de armadura. E.- Repita la parte (D) Para 10, 15,20,25,30,35% de reducciones a la tensión inducida. F.- Flotear Ia vs Eaf (Ea eje e Ia eje y) A.- Hallando la reactancia Xs en ohm/f ( ( ) ) ( ) B.- Calculo de la corriente y tensión inducida a condiciones nominal √ ̅̅̅ ( √ ( ) C.- ) ( √ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̿ ) ( ) ̅̅̅ ( ) ( ) D.- Suponga que el generador está trabajando a condiciones nominales , si la tensión inducida se reduce en 5% cual será la nueva Ia A Tensión nominal y corriente nominal tenemos una impedancia de ̅ ̅̅̅ ̅ ̅̅̅ Esta Z carga es constante, ahora si variamos la tensión de inducción en 5% tendríamos: ( ) ̅̅̅̅̅̅( ̅̅̅ ( ) ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ D. Si disminuye en 10% MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 24 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS ̅̅̅̅̅̅ Si disminuye 15% ̅̅̅̅̅̅ Si disminuye 20% ̅̅̅̅̅̅ Si disminuye 25% ̅̅̅̅̅̅ Si disminuye 30% ̅̅̅̅̅̅ Si disminuye 35% ̅̅̅̅̅̅ 900 Ia Ia vs Eaf 400 7000 Eaf11000 9000 13000 PROBLEMA N° 14.- Un G.S DE 02 polos ,25MVA,13.8Kv , 60hz ,fp=0.82(I), fue sometido a las pruebas de rutina, encontrándose los siguientes resultados: If(A) 320 365 380 475 570 V(Kv) 13 13.8 14.1 15.2 16 Icc(A) 1040 1190 1240 1550 1885 La resistencia de armadura es de 0.024 ⁄ en estas condiciones se le solicita hallar: A.- La impedancia y reactancia síncrona de ⁄ y p.u B.-La reactancia síncrona en ⁄ y p.u cuando If=390 A C.- la eficiencia y regulación del G.S si trabaja a plena carga A.- Hallando la Zs y Xs en ohm/f y en p.u MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 25 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS √ √ Ahora Xs y Zs en p.u ( ) ( ) ( ) ( ) B.- La reactancia síncrona en ⁄ y p.u cuando If=390 A √ Ahora Xs y Zs en p.u ( ) ( ) ( ) ( ) C.- la eficiencia y regulación del G.S si trabaja a plena carga ̅̅̅ √ √ ( ) √ ( ) MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 26 01 SOLUCIONARIO PROBLEMAS MAQUINAS SINCRONAS ̅̅̅̅̅̅ ̿ ̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ ( ( ) ) CURVA DE CAPABILIDAD EN EXCEL 0.304 MW 22° 2 1 0 -1.5 -0.5 0.5 1.5 -1 -2 -3 -4 -5 -6 PROBLEMA N° 15.- Un GS, Conexión interna 6 x II, conexión externa Y, FP = 0.8 I, 120 MVA, 13.2 KV, 60 Hz tiene una Xs = 0.7 Ω / fase. En estas circunstancias se le solicita hallar: a) La regulación de tensión del GS. b) S y P nominales cuando el generador trabaje a 50 Hz, manteniendo las mismas pérdidas de armadura y campo que se presenta en 60 Hz. c) ¿Cuál será la nueva regulación de tensión del GS a 50 Hz? MAQUINAS ELECTRICAS III ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 27 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO SOLUCIÓN DE PROBLEMA MAQUINAS SINCRONAS 1. Se tiene un alternador de 600 KVA, polos lisos, 1100 volt., 60 Hz, 3Φ conectado en estrella con • Ra = 0.1 y Xs = 1.2 Se pide calcular: Reg.(%), , diagrama fasorial, cuando la máquina alimenta una carga a potencia nominal y además: • CosL=1 • CosL=0.8 Ind. • CosL=0.9 capac. a) Cos =1 Sn = 600kVA Sn = 600 0° Sn = 600 = 3VIa = 3635.1 0° Ia* Ia* = 314.9 0° Regulac.(%) = (Ea – Va)/Va Ea = Va 0° + Ia 0° (Ra+jXs) Ea = 635.1 0° + (314.9 0° 1.204 85.2°) Ea = 635.1 0° + 379.14 85.2° Ea = 766.42 29.5° Regul.(%) = (766.42 – 635.1)/635.1 Regul.(%) = 20.68% b) Cos =0.8 ind. = 36.9° ind. Sn = 600 36.9° kVA Sn = 3635.1 0°Ia* Ia* = 314.9 36.9° Ia = 314.9 -36.9° Amp. Regulac.(%) = (Ea – Va)/Va Ea = 635.1 0°+ (314.9 -36.9°1.204 85.2°) MAQUINAS ELECTRICAS III HUBER MURILLO M Page 1 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO Ea = 635.1 0°+ 379.14 48.3° Ea = 931.38 17.7° Regul.(%) = (931.38 – 635.1)/635.1 Regul.(%) = 46.65% c) Cos =0.9 cap. = 25.8° ind. Sn = 600 -25.8° kVA Sn = 3635.1 0°Ia* Ia* = 314.9 -25.8° Ia = 314.9 25.8° Amp. Regulac.(%) = (Ea – Va)/Va Ea = 635.1 0° + (314.9 25.8°1.204 85.2°) Ea = 635.1 0° + 379.14 111° Ea = 611.9 35.3° Regul.(%) = (611.9 – 635.1)/635.1 Regul.(%) = 36.5% 2. Se tiene dos alternadores en paralelo de 600 kVA, 1100 volt., 60 Hz, 3Φ, conectado en estrella. La Xs = 1.2Ω/fase de cada alternador. Ra0 Hallar la regulación de tensión de los dos alternadores si se tiene encuenta que están trabajando en paralelo alimentando una carga de 1000 kVA y Cosi = 0.8 Uno de los alternadores se encuentra trabajando a potencia nominal (Sn) y Cosi = 0.5 Además determine la potencia activa y reactiva de cada generador, Cos 2, 1 y 2, diagrama fasorial del G1, G2, y la corriente de carga S2 = 600 60° = 300 + j520 kVA P2 Q2 SL = 1000 36.9° = 799.7 + j600 kVA PL QL PL = P1 + P2 P1= 799.7 – 300 = 499.7 kW QL= Q1 + Q2 Q1 = 600 – 520 = 80 kVAR S1= 499.7 + 180 kVA S1= 506.1 9.1° kVA S2= 1000 36.9° - 506.1 9.1° = 600.64 60.04° kVA Polos lisos S = V Ia* Por fase Vf = 1000/3 = 635.1 volt. V = 635.1 volt. Ia*1 = (1/3)(506.1 9.1° / 635.1 0°) = 265.6 -9.1° Ia*2 = (1/3)(600 60° / 635.1 0°) = 314.9 -60° En el generador 1 E1 = (V+Ed1)2+(Eq1)21/2 Ed1 = I1XsSen1 = 256.61.2Sen(9.1°) = 50.41 volt. MAQUINAS ELECTRICAS III HUBER MURILLO M Page 2 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO Eq1 = I1XsCos1 = 256.61.2Cos(9.1°) = 314.7 volt. E1 = (635.1+50.41)2+(314.7)21/2 E1 = 754.3 volt Regul.(%) = (754.3 -635.1)/635.1 100 = 18.76 % Sen1 = Eq1/E1 = 317.4 / 754.3 1= 24.66° En el generador 2 E2 = (V+Ed2)2+(Eq2)21/2 Ed2 = I2XsSen2 = 314.91.2Sen(60°)=327.3 volt. Eq2 = I2XsCos2 = 314.91.2Cos(60°)=188.94 volt. E2 = (635.1+327.3)2+(188.94)21/2 E2 = 980.8 volt. Regul.(%) = (980.8 -635.1)/635.1 100 = 54.4 % Sen2 = Eq2/E2 = 188.94 / 980.8 2= 11.1° 5.- Se tiene dos alternadores en paralelo de 600 KVA, 1100 V, 60 Hz, 3∅, conectado en estrella. Xs= 1.2 Ω/f de cada alternador. Ra = 0. Hallar la regulación de tensión de los dos alternadores si se tiene en cuenta que están trabajando en paralelo alimentando una carga de 1000 KVA y ∅ . Uno de los alternadores se encuentra trabajando a potencia nominal (Sn) y ∅ Además determine la potencia activa y reactiva de cada generador ∅ , diagrama Fasorial del G1, G2 y la corriente de carga. MAQUINAS ELECTRICAS III HUBER MURILLO M Page 3 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO ̅ ̅ Polos lisos: Por fase: √ ̅ ( ) ̅ ( ) ̅ ̅ En el generador 1: √ ∅ ∅ √ MAQUINAS ELECTRICAS III HUBER MURILLO M Page 4 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO En el generador 2: √ ∅ ∅ √ 4.- Se tiene 2 alternadores iguales de 750 KVA, 1380 V, 60Hz y alimentan una carga de: ̅ conectada en Y. Si P es repartida por igual y Q es repartida de manera que uno de los alternadores tiene el 80% y el otro el 20%. Hallar: a) P, Q y S de cada alternador: ̅ ̅ √ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ b) Hallar la regulación de cada alternador: Vacío: Corto circuito: ̅ MAQUINAS ELECTRICAS III HUBER MURILLO M Page 5 02 PROBLEMAS DE MG.S. OPERACION EN PARALELO ̅ Regulación de ̅ ̅ ̅ √ ̅ ̅ ̅ √ √ ̅ ̅ MAQUINAS ELECTRICAS III ̅ HUBER MURILLO M Page 6 TUTORIAL IEEE DE PROTECCIÓN DE GENERADORES SINCRÓNICOS Presentado por: The Power Engineering Education Committee. Power System Relaying Committee. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS SECCIÓN 1 FUNDAMENTOS RESUMEN Generador sincrónico básico Esta sección proporciona el soporte para entender las secciones posteriores. Describe el trabajo eléctrico de los generadores sincrónicos y como son conectados al sistema. Tambien se describe la operación del generador bajo condiciones de corto circuito y las prácticas de puesta a tierra. Un generador sincrónico convierte energía termomecánica en energía eléctrica. La potencia mecánica del impulsor giran la flecha del generador en el cual el campo de Corriente Continua (C.D.) está instalado. La figura 1 ilustra una máquina simple. INTRODUCCIÓN La protección de generadores sincrónicos incluye la consideración de las condiciones de operación anormal más dañinas que la protección de cualquier otro elemento del sistema de potencia. Un generador protegido adecuadamente requiere, la protección automática contra condiciones anormales dañinas. El contenido de este curso muestra la necesidad de proporcionar tal protección. El inconveniente al proporcionar algunas de las protecciones no es tanto que puedan operar inadecuadamente o remover el generador de servicio innecesariamente, sino que que fallen al operar cuando deben. Este temor de aplicar la protección adecuada puede ser reducido considerablemente entendiendo la necesidad de tales protecciones y como aplicarlas a un generador dado. Un disparo innecesario del generador es indeseable, pero las consecuencias de no dispararlo y dañar la máquina son terribles. Para la empresa, el costo de dicho evento no es únicamente el costo de la reparación o reemplazo de la máquina dañada, sino el costo substancial de comprar energía de reemplazo durante el periodo en que la unidad está fuera de servicio. En sitios atendidos, un operador atento y experimentado, puede algunas veces evitar remover el generador de servicio corrigiendo la condición anormal. Sin embargo, en la gran mayoría de los casos, el evento ocurrirá tan rápidamente para la reacción del operador, que se requiere la detección y aislamiento automático. Se reconoce que los operadores también cometen errores y crean condiciones anormales que requieren el disparo para evitar daños. La energización inadvertida y la sobreexcitación son ejemplos de tales eventos. Los procedimientos de operación no son un sustituto para la protección automática adecuada. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 1. Generador sincrónico básico La energía del impulsor puede ser obtenida de quemar combustibles fósiles tales como carbón, petróleo o gas natural. El vapor producido gira la flecha del generador (rotor) a velocidades típicas de 1800 ó 3600 RPM. La conversión de la energía del vapor a rotación mecánica es hecha en la turbina. En plantas nucleares, el uranio, a través del proceso de fusión, es convertido en calor, el cual produce vapor. El vapor es forzado a través de la turbina de vapor para rotar la flecha del generador. La energía del impulsor puede también ser obtenida por caída o movimiento del agua. Los generadores hidroeléctricos giran más lento (alrededor de 100-300 RPM) que las turbinas de vapor. Las máquinas sincrónicas son clasificadas en dos diseños principales — máquinas de rotor cilíndrico y máquinas de polos salientes. La figura 2 proporciona una vista de la sección transversal de ambos tipos de construcción. Los generadores impulsados por turbinas de vapor tienen rotores cilíndricos con ranuras en las cuales son colocados los devanados de campo distribuidos. La mayoría de los rotores cilíndricos están hechos de acero forjado sólido. El número de polos es típicamente dos o cuatro. 1 Rotor cilíndrico Rotor de polos salientes Figura 2. Tipos de generador sincrónicos Los generadores impulsados por turbinas hidráulicas tienen rotores de polos salientes laminados con devanados de campo concentrados y un gran número de polos. Cualquiera que sea el tipo del impulsor o diseño de la máquina, la fuente de energía usada para girar la flecha es mantenida en un nivel constante a través de un regulador de velocidad conocido como gobernador. La rotación del flujo de C.D. en el campo del generador reacciona con los devanados del estator y, debido al principio de inducción, se genera una Tensión Trifásica. Conexión de generadores a un sistema de potencia. Existen dos métodos básicos principales usados en al industria para conectar generadores al sistema de potencia. Estos son conexiones directa y unitaria. 3A. Conexión directa 3B. Conexión unitaria Figura 3 Conexión directa: La figura 3A muestra el diagrama unifilar para una conexión directa de un generador a un sistema de potencia. Los generadores son conectados directamente al bus de carga sin transformación de tensión de por medio. Este tipo de conexión es un método recientemente usado en la industria para la conexión de generadores de tamaño pequeño. Conexión unitaria: La figura 3B muestra el diagrama unifilar para un generador en conexión unitaria. El TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS generador es conectado al sistema de potencia a través de un transformador elevador dedicado. La carga auxiliar del generador es suministrada desde un transformador reductor conectado a las terminales del generador. La mayoría de los generadores grandes son conectados al sistema de potencia de esta manera, usando un transformador elevador principal con conexión estrella-delta. Al tener la generación conectada a un sistema delta, las corrientes de falla a tierra pueden ser dramáticamente reducidas usando puesta a tierra de alta impedancia. Las prácticas de puesta a tierra serán vistas en detalle en la Sección 4. Modelo de corto circuito del generador sincrónico. El circuito eléctrico equivalente de un generador sincrónico es una tensión interna en serie con una impedancia. La componente de resistencia de la impedancia del generador es pequeña comparada con la reactancia y es usualmente despreciada para cálculos de corriente de falla. La tabla 1 muestra la representación de componentes simétricas de un generador. El análisis de componentes simétricas es una herramienta matemática importante para calcular las corrientes y tensiones del generador bajo condiciones de desbalance. Las referencias 1 y 2 proporcionan buena información de este tema. Secuencia positiva (X1): Se usan tres valores diferentes de reactancia de secuencia positiva. En el circuito equivalente de secuencia positiva, X”d es la reactancia subtransitoria, X'd es la reactancia transitoria y Xd es la reactancia del generador en eje directo. Todos estos valores de eje directo son necesarios para calcular los valores de corriente de corto circuito en diferentes tiempos después de ocurrido un corto circuito. Estos valores son proporcionados por el fabricante del generador como parte de la hoja de datos de prueba del generador. Puesto que el valor de la reactancia subtransitoria produce el valor de corriente inicial mayor, es generalmente usado en cálculos de corto circuito para aplicación de relés. El valor de reactancia transitoria es usado para consideraciones de estabilidad. Los valores de reactancia no saturada son usados para calcular las corrientes de falla debido a que la tensión se reduce por debajo de la saturación durante fallas cercanas a la unidad. Puesto que los generadores típicos son operados ligeramente saturados, la corriente de falla sostenida (estado estable) será menor que la corriente de carga máxima, a menos que los reguladores de Tensión refuercen el campo durante una falla sostenida. 2 Representación 3φ Equivalente 1φ Secuencia positiva Secuencia negativa Secuencia cero Tabla 1. Representación de componentes simétricas El flujo de corriente de Secuencia negativa (X2): secuencia negativa es de rotación de fase opuesta a través de la máquina y aparece como una componente de doble frecuencia en el rotor. El promedio de la reactancia subtransitoria de eje directo bajo los polos y entre los polos da una buena aproximación de la reactancia de secuencia negativa. En una máquina de polos salientes, la secuencia negativa es el promedio de la reactancia subtransitoria de eje directo y eje en cuadratura [X2 = (X”d + X”q) / 2], pero en una máquina con rotor cilíndrico, X2 = X”d. negativa. Debido a los altos valores de corriente de falla a tierra disponibles para una máquina sólidamente puesta a tierra, una impedancia (reactancia o resistencia) es casi siempre insertada en la trayectoria de puesta a tierra del neutro, excepto en generadores muy pequeños donde el costo de proporcionar tales puestas a tierra en relación a los costos de la máquina son significativos. Como se estableció previamente, la resistencia del devanado del estator es generalmente lo suficientemente pequeña para ser despreciada en los cálculos de corto circuito. Esta resistencia, sin embargo, es importante en la determinación de las constantes de tiempo de C. D. de una corriente de corto circuito asimétrica. Para calcular fallas o condiciones de generación anormales desbalanceadas, las redes de secuencia positiva, negativa y cero son interconectadas. Para las condiciones de falla más comunes, éstas son conectadas como se muestra en la Tabla 2. Decaimiento de la corriente de falla del generador: Debido a que la secuencia positiva del generador es caracterizada por tres reactancias con valores que se incrementan con el tiempo, sus corrientes de falla disminuyen con el tiempo. Ia = I1 = Van Z1 a) Falla trifásica Tabla 2. Conexiones de redes de secuencia de fallas Secuencia cero (X0): La reactancia de secuencia cero es menor que los valores de secuencia positiva y TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 3 I1 = −I2 = Van Z1 + Z2 En la falla: IaF = 0 IbF = -IcF b) Falla de fase a fase Figura 4. Trazo simétrico de una corriente de corto circuito del generador I1 = I 2 = I 0 = = Van Z1 + Z2 + Z0 En la falla: IbF = IcF = 0 c) Falla de una fase a tierra (SLG) I1 = Van Z2 Z0 Z1 + Z0 + Z2 I2 = −I1 Z0 Z2 + Z0 Z2 I0 = −I1 Z2 + Z0 La figura 4 ilustra un trazo simétrico monofásico de una forma de onda de corto circuito trifásico (ausencia de la componente de C.D.) tal como puede ser obtenido oscilográficamente. La forma de onda mostrada en la figura 4 puede ser dividida en tres periodos o regiones de tiempo. Período subtransitorio. Este período se mantiene por pocos ciclos durante los cuales la magnitud de corriente es determinada por la reactancia subtransitoria del generador (X”d) y el decremento del tiempo por la constante de tiempo T”d. Período transitorio. Cubre un tiempo relativamente largo durante el cual la magnitud de corriente está determinada por la reactancia transitoria del generador (X’d) y el decremento del tiempo por la constante de tiempo T'd. En la falla: IaF = 0 IbF = IcF Período de estado estable. Es el nivel de tiempo mas largo de corriente de falla del generador, cuya magnitud es determinada por la reactancia de eje directo del generador (Xd). Cuando los desplazamientos de C.D. son considerados, las corrientes del generador para una falla trifásica serán como se muestra en la figura 5. d) Falla de dos fases a tierra Tabla 2. Conexiones de redes de secuencia de fallas (Cont.) TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 4 generador no puede ser “apagada” instantáneamente debido a la energía almacenada en la máquina rotatoria. El flujo de la corriente de falla dañina en el generador continuará por un periodo de varios segundos después de que el generador ha sido disparado, haciendo que las fallas del generador sean extremadamente dañinas. Los conductores de las terminales del generador son usualmente aislados por la construcción del bus, para minimizar las fallas multifase en terminales. El generador es también puesto a tierra en tal forma que se reducen sustancialmente las corrientes de falla a tierra. Esto se hace incrementando la impedancia de secuencia cero, con la inserción de una impedancia a tierra en el neutro. Prácticas de puesta a tierra del generador. Figura 5. Corrientes de corto circuito del generador para una falla trifásica con desplazamiento de C.D. Cuando una falla en el generador es detectada por los relés de protección, éste es separado del sistema de potencia disparando el interruptor del generador, el interruptor de campo y el impulsor. Dos tipos de prácticas de puesta a tierra representan los principales métodos usados en la industria para aterrizar los devanados del estator del generador. Estos son la puesta a tierra de alta y baja impedancia. Puesta a tierra de baja impedancia: La figura 7A ilustra un generador puesto a tierra a través de un resistor o reactor. El resistor o reactor de puesta a tierra es seleccionado para limitar la contribución de la corriente de falla a tierra del generador entre 200 Amps y 150 % de la corriente nominal del generador. La puesta a tierra de baja impedancia es generalmente usado cuando unidades generadoras múltiples son operadas sobre un bus común o cuando están directamente conectadas a buses de carga sin una transformación de tensión, proporcionando así la fuente de tierra para el sistema. Puesta a tierra de alta impedancia: La figura 7B ilustra un generador puesto a tierra utilizando un transformador de distribución con un resistor secundario. Este método de puesta a tierra permite que las corrientes de falla a tierra sean reducidas a bajos niveles, típicamente 5-25 Amperes. Es usada en generadores conectados en forma unitaria. Figura 6. Corriente de falla en terminales del generador La contribución del sistema a la falla será inmediatamente removida cuando dispara el interruptor del generador, como se ilustra en la figura 6. Sin embargo, la corriente del generador continuará fluyendo después del disparo. La corriente de corto circuito del TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 5 40 Protección de pérdida de campo. 46 Protección de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador. 49 Protección térmica del estator. 51 GN Relé de sobrecorriente a tierra con tiempo. 51 TN Respaldo para fallas a tierra. 51 V 7A) Puesta a tierra de baja impedancia 59 59 GN 7B) Puesta a tierra de alta impedancia Figura 7. Prácticas de puesta a tierra del generador Guías ANSI/IEEE de Protección de generadores. C37.102 Guía para la protección de generadores de C.A. C37.101 Guía para la protección de tierra del generador. C37.106 Guía para la protección de frecuencias anormales para plantas de generación. Números de dispositivos relés. Disposi tivo Función 21 Relé de distancia. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en la zona del generador. 24 Protección de Volts/Hz para sobreexcitación del generador. 32 Relé de potencia inversa. Protección de antimotorización. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Relé de sobrecorriente de tiempo con control de tensión o restricción de tensión. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en el generador. Protección de sobretensión. Relé de sobretensión. Protección de falla a tierra en el estator para un generador. 60 Relé de balance de tensión. Detección de fusibles fundidos de transformadores de potencial. 63 Relé de presión del transformador. 62 B Timer de falla de interruptor. 64 F Protección de falla a tierra del campo. 71 Nivel de aceite o gas del transformador. 78 Protección de pérdida de sincronismo. 81 Relé de frecuencia. Protección de baja o sobrefrecuencia. 86 Relé auxiliar de bloqueo y reposición manual. 87 G Relé diferencial. Protección primaria de falla de fases del generador. 87 N Protección diferencial de falla a tierra del estator. 87 T Relé diferencial. Protección primaria para el transformador. 87 U Relé diferencial para la protección total de generadortransformador. La figura 8 muestra un diagrama típico de funciones de relés del generador. 6 5. Fitzgerald, A.E. And Kingsley, C, "Electric Machinery," McGraw Hill, New York, NY, 1961. 6. Zorhas, Pino, 'Electric Machines," West Publishing Co., New York, NY, 1989. Figura 8. Configuración típica para generador-transformador Referencias. 1. Blackburn, J. Lewis, "Symmetrical Components for Power Systems Engineering," Marcel Dekker, Inc., New York, NY, 1993. 2. "Protective Relaying, Theory and Application," ABB Relay Division, Coral Springs, FL, Marcel Dekker, 1994. 3. ANSI/IIEEE C37.102-1986, "IEEE Guide for AC Generator Protection." 4. Mason, Russell C., "The Art And Science of Protective Relaying," John Wiley & Sons Inc., New York, NY, 1956. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 7 SECCIÓN 2 PROTECCIÓN DE FALLAS DE FASES DEL ESTATOR DEL GENERADOR RESUMEN Una falla de fase en el devanado del estator del generador es siempre considerada como seria debido a las altas corrientes encontradas y el daño potencial a los devanados de la máquina, así como a las flechas y el acoplamiento. Los largos tiempos de reparación para máquinas severamente dañadas pueden ser muy costosos; por consiguiente, también generan altos costos por reemplazo de potencia mientras la máquina está fuera de servicio. Por lo tanto, es muy importante minimizar el daño debido a fallas en el estator. Para agravar esta situación, la corriente de falla en un generador fallado no se INTERRUMPE cuando el campo del generador es disparado y el generador es separado del sistema. La energía almacenada en el campo continuará alimentando corriente de falla por varios segundos. CONSIDERACIONES GENERALES Las unidades generadoras grandes usan protección de alta rapidez para detectar estas severas fallas en el devanado del estator y minimizar el daño. El uso de métodos de rápida desexcitación puede ser justificable para producir el decremento rápido de las corrientes de falla. Normalmente se usa un relé diferencial de alta rapidez para detectar fallas trifásicas, de fase a fase y de doble fase a tierra. Las fallas de una fase a tierra no son normalmente detectadas por los relés diferenciales de máquinas, a menos que su neutro esté puesto a tierra sólidamente o con baja impedancia. Cuando el neutro está puesto a tierra con alta impedancia, la corriente de falla es normalmente menor que la sensibilidad de un relé diferencial. Un relé diferencial no detectará una falla entre espiras en la misma fase debido a que la corriente que entra y sale del devanado no cambiará. La detección separada de la falla entre espiras puede ser proporcionada a los generadores con dos o más devanados por fase y será discutida posteriormente. Cuando se conecta un Transformador de Corriente (TC) a una diferencial de TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS generador en el lado de neutro del generador y otro en el interruptor del generador, la aplicación de los TCs necesita ser revisada minuciosamente para que éstos sean lo más similares posible. Normalmente la protección de fallas de fase del estator del generador no necesita ser relacionada con Inrush como en un esquema de protección de transformador, puesto que la tensión del generador es creada lentamente cuando el campo es aplicado. Se usan tres tipos de relés diferenciales de alta rapidez para la detección de fallas de fase del estator. TIPOS DE ESQUEMAS DIFERENCIALES Diferencial de porcentaje: La protección diferencial de porcentaje variable (figura A) es más usada para máquinas grandes. La pendiente puede variar desde 5% a 50% ó más. Un relé de porcentaje fijo es normalmente fijado de 10 a 25%. Un esquema típico con un relé diferencial de porcentaje variable es mostrado en la figura B. Los transformadores de corriente usados en un esquema de relé diferencial deben tener preferentemente las mismas características; sin embargo, la diferencial de porcentaje variable es generalmente más tolerante a errores de TCs con altas corrientes. Debe notarse que usar la misma precisión normalizada de TCs no garantiza obtener las mismas características reales; las características reales deben ser verificadas. Diferencial de alta impedancia: Estos relés deben ser alimentados de TCs idénticos con devanados secundarios distribuidos totalmente, con reactancia de dispersión despreciable. El relé es realmente un relé de tensión y responde a la alta tensión impuesta a través de sus bobinas, causada por todos los TCs que tratan de forzar la corriente a través de la bobina de operación durante una falla interna. El ajuste del relé de alta impedancia se basa en la operación perfecta de un TC de entrada y la saturación completa del otro. 8 Para las muy altas corrientes en generadores grandes, la proximidad de los TCs en diferentes fases puede causar corrientes desbalanceadas que fluyen en los secundarios de los TCs. Estas corrientes deben ser menores que la sensibilidad mínima del relé diferencial usado. Normalmente esto es tomado en cuenta en el diseño de la unidad por el fabricante pero, debe también ser revisado. Figura A. Relés diferenciales autobalanceados: El esquema de autobalance (figura D) es típicamente usado en generadores pequeños. Este esquema detecta fallas de fase y de tierra en el estator del generador. Este esquema usa un solo TC de baja relación por cada fase, con los conductores de ambos extremos de cada devanado pasados a través de él, de tal forma que el flujo neto es cero para condiciones normales. Un relé de sobrecorriente instantáneo conectado al secundario del TC proporciona protección confiable y rápida, detectando cualquier diferencia entre la corriente que entra y la corriente que sale del devanado. Relé diferencial de porcentaje de pendiente variable Figura D. Esquema de protección autobalanceado Figura B. Conexión del relé diferencial de porcentaje − generador conectado en estrella con seis boquillas Figura Figura C. Relé diferencial de alta impedancia TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS E. Protección de fase partida usando transformadores de corriente separados El tamaño limitado de la ventana del TC limita el tamaño del conductor y, por lo tanto, el tamaño de la unidad que puede ser protegida. El relé debe tener tan bajo burden como sea posible, (como las del tipo de estado sólido) para mantener alta sensibilidad y para reducir el riesgo de saturación del TC. Las corrientes de falla muy 9 grandes pueden saturar este tipo de TC si se usa un relé electromecánico sensible con alto burden. Figura F. Protección de fase partida usando transformador de corriente de ventana un PROTECCIÓN DE FALLA ENTRE ESPIRAS Con esquema de fase partida: La mayoría de generadores tienen devanados del estator de una vuelta. En generadores con bobinas multi-vueltas y dos más devanados por fase se puede usar el esquema de relés de fase partida para detectar las fallas entre espiras. En este esquema (figura E), el circuito en cada fase de los devanados del estator es partido en dos grupos iguales y las corrientes en cada grupo comparadas. Una diferencia en estas corrientes indica un desbalance causado por una falla en una vuelta. Un relé de sobrecorriente muy inverso con instantáneo es usualmente usado para este esquema. La sobrecorriente de tiempo se ajusta arriba de cualquier corriente de desbalance normal, pero abajo del desbalance causado por una sola vuelta cortocircuitada. El retardo de tiempo se ajusta para evitar la operación con transitorios que ocurran durante fallas externas, debido a la respuesta desigual de los TCs al transitorio. La unidad instantánea se ajusta arriba de los transitorios durante fallas externas y probablemente únicamente detectará fallas fase a fase o multi-vueltas. Cualquier problema esperado por errores de TCs puede ser eliminado por el uso de un TC de una ventana o doble ventana como se muestra en las figuras F y G. La eliminación de errores de TCs permitirá el uso de un ajuste más sensible del relé instantáneo. El TC de doble ventana mostrado en la figura G, puede ser usado para generadores grandes. La protección de fase partida detectará fallas de fase y algunas de tierra en el devanado del estator. Sin embargo, debido al retardo de tiempo, es normalmente usada para complementar la protección diferencial de alta rapidez para fallas de fase de gran magnitud. RESPALDO Figura G. Protección de fase partida usando un transformador de corriente con doble primario y un secundario TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS El tipo más común de protección de respaldo usado para fallas de fase del estator del generador conectado en forma unitaria es el relé diferencial total. Para unidades más pequeñas o unidades conectadas directamente a un bus, se emplean relés de secuencia negativa y de respaldo del sistema, los cuales son discutidos en otra sección de este tutorial. También, se emplea algunas veces un relé de impedancia para proporcionar protección de respaldo para el transformador elevador y el generador. 10 Diferencial total. Un relé diferencial total de generador es conectado incluyendo un generador conectado en forma unitaria y el transformador elevador dentro de una zona diferencial como se muestra en la figura H. Se usa para esta aplicación un relé diferencial de transformador con restricción de armónicas. El transformador auxiliar del generador puede también ser incluido en la zona diferencial como se muestra. La alta relación del TC requerido en el lado de baja tensión del transformador auxiliar para balancear las corrientes del circuito diferencial puede requerir el uso de un TC auxiliar. Usualmente es preferible incluir el transformador auxiliar dentro de la diferencial total, si es posible. Los TCs de la diferencial del transformador auxiliar en el lado de alta tensión del mismo podrían saturarse severamente para fallas en alta tensión debido a las corrientes de falla extremadamente grandes en ese punto. La saturación podría ser tan severa que el relé diferencial podría no operar antes de que la saturación ocurra y resulte así una falla a disparar. La diferencial total conectada al lado de baja tensión del transformador auxiliar podría detectar la falla y proporcionar disparo por respaldo. conectarlos a devanados diferencial multi-devanado. separados de un relé Algunas veces es práctico aplicar una diferencial de transformador de tres devanados a dos generadores conectados a un transformador elevador. Relé de impedancia. Un relé de impedancia de 1 zona puede ser conectado a los TCs y TPs del lado de alta tensión del grupo generador-transformador elevador, viendo hacia el generador. Puede ser ajustado para disparar sin retardo de tiempo adicional para fallas de fase, puesto que no tiene que ser coordinado con otros relés para una falla en el generador. No debe tener offset si se ajusta sin retardo de tiempo. Sin embargo, siendo un relé de distancia, puede operar para oscilaciones del sistema, pérdida de excitación y energización inadvertida. Sus ajustes deben hacerse con estas posibilidades en mente. La aplicación de este relé se describe más a fondo en la sección sobre protección con relés de pérdida de sincronismo de generadores. Las limitaciones de ajustes pueden no permitir que el relé sea ajustado para ver completamente todo el generador. Referencias. 1. Blackburn, J. Lewis, Protective Relaying Principles and Applications, Marcel Dekker, Inc., New York, NY, 1987, Chapter 8, pp. 248. 2. "IEEE Guide for AC Generator Protection," ANSI/IEEE C37.102-1986. 3. Pfuntner, R.A. "Accuracy of Current Transformers Adjacent to High Current Busses." AIEE Transactions. Vol. 70, Part II, 195 1, pp. 16561662. Figura H. Esquema diferencial total para respaldo de falla de fase del generador En generadores cross-compound es satisfactorio paralelear los TCs en el lado de neutro del generador o TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 11 SECCIÓN 3 PROTECCIÓN DE TIERRA EN EL CAMPO RESUMEN El circuito de campo de un generador es un sistema de C.D. no puesto a tierra. Una sola falla a tierra generalmente no afectará la operación de un generador ni producirá efectos de daño inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falla a tierra ocurra es mayor después de que la primera falla a tierra ha ocurrido. Cuando se tiene una segunda falla a tierra, una parte del devanado de campo estará corto circuitada, produciendo por lo tanto flujos desbalanceados en el entrehierro de la máquina. Los flujos desbalanceados producen fuerzas magnéticas desbalanceadas las cuales dan como resultado vibración y daño de la máquina. Una tierra en el campo también produce calentamiento del hierro del rotor debido a las corrientes desbalanceadas, las que dan como resultado temperaturas desbalanceadas que pueden causar vibraciones dañinas. Dentro de la industria las prácticas de disparo para relés de tierra en el campo no están bien establecidas. Algunas empresas disparan, mientras que otras prefieren alarmar, arriesgando así tener una segunda falla a tierra y mayor daño. INTRODUCCIÓN Esta sección está relacionada con la detección de fallas a tierra en el circuito de campo. La protección de pérdida de campo es tratada en otra sección de este texto. Una vez que la primera falla a tierra en el campo ha ocurrido, la probabilidad de que ocurra una segunda tierra es mucho mayor, puesto que la primera tierra establece una referencia de tierra para tensiones inducidas en el campo por transitorios en el estator. Estos transitorios incrementan el esfuerzo a tierra en otros puntos en el devanado de campo. La detección de tierra para los devanados de campo y el excitador es usualmente suministrada como parte del equipo del fabricante del generador. Una investigación reciente de la protección de generadores indicó que el 82% de todas las unidades generadoras empleaban detectores de tierra en el campo. De estos detectores, únicamente el 30% disparaba la unidad ante la ocurrencia de una tierra en el campo. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS La explicación para el bajo porcentaje de disparo es en parte debida a las prácticas más antiguas usadas por las empresas de suministro. Era una práctica industrial común aplicar un relé de tierra en el campo en generadores tipo brush para alarmar con tierra en el rotor. Estos relés eran generalmente del tipo instantáneo, el cual frecuentemente opera durante un arranque de la unidad debido a tierras intermitentes producidas por humedad, suciedad del cobre o durante transitorios en el sistema. La suciedad en el cobre es causada por roce en las barras del rotor mientras que la unidad estaba en torna flecha, especialmente por un tiempo prolongado. Los operadores debían rutinariamente reponer la alarma y continuar con el procedimiento de arranque. Si ocurría una alarma persistente, los técnicos intentaban localizar el problema subiendo los instrumentos en derivación. Si la tierra no podía ser encontrada en un período razonable, se suponía que la unidad debía ser disparada manualmente. Sin embargo, las muchas alarmas molestas y las muy pocas legítimas, hicieron que los operadores de la unidad perdieran confianza en el relé de tierra en el campo, por lo que la alarma perdió credibilidad. Los operadores continuaron manteniendo la unidad en operación considerando que una segunda tierra nunca ocurriría. Han ocurrido catastróficas fallas del rotor debidas a una segunda tierra en el campo principal, desarrollándose muy rápidamente después de la primera tierra. En estos ejemplo, los operadores no fueron capaces de aislar la causa de la primera alarma ni de sacar la unidad de operación en forma ordenada antes de que la segunda tierra ocurriera. Estas fallas de rotor han impulsado a algunos fabricantes de generadores grandes a desarrollar un relé de tierra en el campo más seguro que tuviera un timer integrado. El timer evitaría la mala operación del relé por tierras temporales causadas por transitorios en el sistema. Los relés fueron diseñados de tal forma que la detección de una primera tierra legítima dispararía automáticamente el generador y removería la excitación del campo antes de que una segunda tierra pudiera desarrollarse. Algunas empresas, debido a recomendaciones y garantías de fabricantes, han decidido cambiar de una política de alarma a una política 12 de disparo con la introducción de este relé. Aunque el modo de disparo que usa el relé de tierra más seguro en el campo disminuye grandemente el riesgo de una falla catastrófica del rotor, su uso incrementa la posibilidad de disparar en falso la unidad debido a suciedad en el cobre y otros fenómenos como ha sido experimentado por algunas empresas. Al ajustar el relé, debe aceptarse un compromiso entre la sensibilidad del pickup y la seguridad. La decisión para disparar o alarmar debe ser cuidadosamente analizada. MÉTODOS DE PROTECCIÓN FIGURA 2. Existen varios métodos de uso común para detectar tierras en el campo del rotor. FIGURA 1. DETECCIÓN DE TIERRA EN EL CAMPO USANDO UNA FUENTE DE C.D. En el método mostrado en la figura 1, una fuente de tensión de C.D. en serie con una bobina del relé de sobretensión es conectada entre el lado negativo del devanado de campo del generador y tierra. Una tierra en cualquier punto del campo causará que el relé opere. Se usa una escobilla para aterrizar la flecha del rotor puesto que la película de aceite de los cojinetes puede insertar suficiente resistencia en el circuito, de forma que el relé podría no operar para una tierra en el campo. Un retardo de tiempo de 1.0 – 3.0 segundos es normalmente usado con este relé para evitar operaciones innecesarias por desbalances transitorios momentáneos del circuito de campo con respecto a tierra. Estos desbalances momentáneos podrían ser causados por la operación de sistemas de excitación tipo tiristor de respuesta rápida. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS DETECCIÓN DE TIERRA EN EL CAMPO USANDO UN DIVISOR DE TENSIÓN La figura 2 ilustra un segundo método usado para detectar tierras en el circuito de campo. Es similar a los esquemas de detección de tierra usados para sensar tierras en las baterías de control de subestaciones. Este método usa un divisor de tensión y un relé sensible de sobretensión entre el punto medio del divisor y tierra. Una tensión máxima es impuesta al relé por una tierra en el lado positivo o negativo del circuito de campo. Sin embargo, existe un punto ciego entre positivo y negativo en el que una falla a tierra no producirá una tensión a través del relé. Este relé de tierra del campo del generador está diseñado para superar el problema usando un resistor no lineal (varistor) en serie con uno de los dos resistores lineales en el divisor de tensión. La resistencia del varistor varía con la tensión aplicada. El divisor es dimensionado de forma tal que el punto ciego del devanado de campo está en el punto medio del devanado cuando la tensión del excitador está a tensión nominal. Los cambios en la tensión del excitador moverán el punto ciego del centro del devanado de campo. En un sistema de excitación sin escobillas, el monitoreo continuo para tierra en el campo, no es posible con relés convencionales de tierra en el campo puesto que las conexiones del campo del generador son contenidas en el elemento rotatorio. 13 Figura 3. Detección de tierra en el campo usando escobillas piloto La figura 3 ilustra la adición de una escobilla piloto o escobillas para tener acceso a las partes rotatorias del campo. Normalmente esto no se hace puesto que la eliminación de las escobillas es una de las ventajas de un sistema sin escobillas. Sin embargo, los sistemas de detección pueden ser usados para detectar tierras en el campo si un anillo colector es proporcionado en la flecha rotatoria con una escobilla piloto que puede ser periódicamente aplicada para monitorear el sistema. El chequeo de tierra puede ser hecho automáticamente por un timer secuenciador y su control, o por el operador. Las escobillas usadas en este esquema no son adecuadas para contacto continuo con los anillos colectores. La impedancia a tierra del circuito de campo es una pierna de un puente de Wheatstone conectado vía la escobilla. Una falla a tierra reduce el devanado de campo a la capacitancia del rotor, CR, lo cual desbalancea el circuito del puente. Si una tensión es medida entre tierra y la escobilla, la cual está conectada en un lado del campo del generador, entonces existe una tierra. En las máquinas sin escobillas, las mediciones de resistencia pueden ser usadas para evaluar la integridad del devanado de campo. escobillas piloto. El transmisor del relé es montado sobre el volante de diodos del campo del generador. Su fuente de potencia es el sistema excitador sin escobillas de C.A. Dos conductores son conectados al circuito puente de diodos del rectificador rotatorio para proporcionar esta energía. La detección de tierra se obtiene conectando una terminal del transmisor al bus negativo del rectificador de campo, y la terminal de tierra a la flecha del rotor. Estas conexiones ponen al rectificador de campo en serie con la tensión del rectificador en el transmisor. La corriente es determinada por la resistencia a tierra del campo y la ubicación de la falla con respecto al bus positivo y negativo. El transmisor detecta el cambio en la resistencia entre el devanado de campo y el núcleo del rotor. Los LED’s del transmisor emiten luz en condiciones normales. El receptor es montado sobre la cubierta del excitador. Los detectores infrarrojos del receptor sensan la señal de luz del LED a través del entrehierro. Con la detección de una falla, los LED’s se apagan. La pérdida de luz del LED en el receptor actuará el relé de tierra e iniciará un disparo o alarma. El relé tiene un retardo de tiempo ajustable hasta de 10 segundos. PROTECCIÓN DE RESPALDO La protección de respaldo para los esquemas descritos anteriormente usualmente consiste de un equipo detector de vibraciones. Se proporcionan contactos para disparar los interruptores principal y de campo si la vibración es mayor que la asociada con transitorios de corto circuito normales para fallas externas a la unidad. Algunas veces se utiliza también un esquema de verificación de asentamiento de escobillas cuando éstas son retráctiles. El esquema requiere dos escobillas con una fuente de energía, la cual por acción del relé indicará si alguna de las escobillas no asienta y por lo tanto la detección de tierra no está funcionando. CONSIDERACIONES DE DISPARO Figura 4. Detección de tierra en el campo para máquinas sin escobillas La figura 4 ilustra un método para monitoreo continuo de tierras en el campo de máquinas sin escobillas, sin usar TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Desde un punto de vista de protección, la práctica más segura es disparar el generador automáticamente cuando la primera tierra es detectada. Una segunda falla a tierra podría ser inminente debido a los problemas de aislamiento en el campo. Ha habido casos en que una segunda falla a tierra ha causado daños al campo. Muchas empresas suministradoras alarman con el relé de 14 tierra en el campo, con instrucciones escritas para el operador para descargar y sacar de servicio la máquina de una forma ordenada. REFERENCIAS 1. "IEEE Guide for AC Generator Protection," ANSI/ IEEE C37.102-1986. 2. "Protective Relaying, Theory and Application," ABB Relay Division, Coral Springs, FL, Marcel Dekker, 1994. 3. "Field Ground Detection System Instruction Manual," Dresser Rand, Electric Machinery 2100IN-324B. 4. "Machine Field Ground Detector Relay PJG-12-B," GEK-4188, General Electric. 5. "Type DGF Generator Field Relay," ABB IL41-747. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 15 SECCIÓN 4 PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA EN EL DEVANADO DEL ESTATOR RESUMEN Esta sección está dirigida a la puesta a tierra del neutro del estator del generador y los esquemas de protección usados para detectar fallas a tierra en el estator. Se describen dos tipos de prácticas de puesta a tierra: impedancia alta y baja. Estos dos tipos de prácticas de puesta a tierra representan los métodos principales usados en la industria para aterrizar los devanados del generador. Los principales esquemas de protección usados son también descritos. INTRODUCCIÓN El método usado de puesta a tierra del estator en una instalación de generador determina el comportamiento del generador durante condiciones de falla a tierra. Si el generador está sólidamente puesto a tierra, como casi nunca sucede, aportará una muy alta magnitud de corriente a una falla de una línea a tierra (SLG) en sus terminales, acompañada de una reducción del 58% en las tensiones fase-fase que involucran la fase fallada y de un modesto desplazamiento de la tensión de neutro. Si el generador no está puesto a tierra, lo cual prácticamente nunca sucede, aportará una cantidad de corriente despreciable a una falla SLG franca en sus terminales, sin reducción en las tensiones fase-fase en terminales y un completo desplazamiento en la tensión de neutro. Las altas magnitudes de corriente de falla que resultan de un generador sólidamente puesto a tierra son inaceptables debido al daño que la falla puede causar. La desconexión al generador a través del disparo del interruptor principal, de campo y el impulsor no hará que la corriente de falla se reduzca inmediatamente a cero. El flujo atrapado en el campo causará una corriente de falla que disminuye lentamente en algunos segundos después de que el generador es disparado, lo que magnifica sustancialmente el daño. Por otro lado, el operar un generador sin aterrizar provoca una corriente de falla despreciable, pero las tensiones de línea a tierra en las fases no falladas pueden elevarse durante las fallas con arqueo a niveles altamente peligrosos los TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS cuales podrían causar la falla del aislamiento del generador. Como resultado, los devanados del estator de generadores grandes son puestos a tierra de tal forma que reduzcan las corrientes de falla y las sobretensiones y proporcionen un medio de detectar la condición de falla a tierra lo suficientemente rápido para prevenir el calentamiento del hierro. Dos tipos de puesta a tierra son ampliamente usados en la industria, los denominados como puesta a tierra de alta y de baja impedancia. PUESTA A TIERRA IMPEDANCIA. DEL ESTATOR DE BAJA Este método de puesta a tierra es ilustrado en la figura 1. Figura 1(A). Generadores conectados a un bus común que comparten un transformador de unidad 16 Figura 2. Diferencial de tierra del generador usando un relé tipo producto Figura 1(B). Generadores que transformador comparten un La comparación direccional es polarizada para asegurar que exista una restricción positiva para una falla externa aunque los transformadores de corriente, RCN y RCL tienen características de funcionamiento sustancialmente diferentes. Este esquema proporciona excelente seguridad contra operación incorrecta para fallas externas y proporciona una detección muy sensible de fallas a tierra internas. Figura 1(C) Generadores conectados directamente a un sistema de distribución El resistor o reactor de puesta a tierra es seleccionado para limitar la contribución del generador para una falla SLG a un rango de corrientes generalmente entre 200 A y 150% de la corriente de carga nominal. Con este amplio rango de corriente de falla disponible, los relés diferenciales de fase pueden proporcionar alguna protección de falla a tierra con altos niveles de corrientes de tierra. Sin embargo, el relé diferencial no proporcionará protección de falla a tierra para todo el devanado del estator. Por ello, es práctica común proporcionar alguna protección complementaria. La figura 2 es una ilustración de un esquema diferencial a tierra que puede ser usado para proporcionar esta mejora en la sensibilidad. El esquema usa un relé de sobrecorriente direccional tipo producto (87N) y su aplicación es descrita completamente en la Referencia 5. El relé está conectado para recibir corriente diferencial en el circuito de la bobina de operación y corriente del neutro (3Io) del generador en su circuito de polarización. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 3. Generador puesto a tierra con alta impedancia Puesta a tierra del estator con alta impedancia La puesta a tierra del neutro del generador con alta impedancia es ilustrado en la figura 3. Este es principalmente utilizado en sistemas en conexión unitaria, sin embargo, puede también ser usado en generadores cross-compound donde un devanado está generalmente puesto a tierra a través de alta impedancia. La puesta a tierra del neutro del generador con alta resistencia utiliza un transformador de distribución con un valor de tensión primaria mayor o igual al valor de la tensión línea-neutro del generador y una tensión secundaria de 120 V ó 240 V. El transformador de distribución debe tener suficiente capacidad de 17 sobretensión de forma que no se sature con fallas SLG con la máquina operada al 105% de tensión nominal. El resistor secundario es usualmente seleccionado de manera que para una falla SLG en las terminales del generador, la potencia disipada en el resistor sea aproximadamente igual a los volts-amperes reactivos en la reactancia capacitiva de secuencia cero de los devanados del generador, sus conductores, y los devanados de todos los transformadores conectado a las terminales del generador. Usando este método de puesta a tierra, una falla SLG es generalmente limitada de 3-25 amperes primarios. Como resultado, este nivel de corriente de falla no es suficiente para operar los relés diferenciales del generador. El apéndice I proporciona un ejemplo detallado de cómo determinar el tamaño del resistor de tierra para satisfacer las necesidades citadas arriba y también cómo calcular las corrientes y tensiones de tierra resultantes. Métodos de protección convencionales del devanado del estator con alta impedancia Esquema de sobretensión/corriente de neutro. El esquema de protección más ampliamente usado en sistemas puestos a tierra con alta impedancia, consiste de un relé de sobretensión con retardo de tiempo (59GN) conectado a través del resistor de puesta a tierra para sensar tensión de secuencia cero, como se muestra en la figura 3. El relé usado para esta función está diseñado para ser sensible a tensión de frecuencia fundamental e insensible a tensión de tercera armónica y a otras tensiones armónicas de secuencia cero, que están presentes en el neutro del generador. Puesto que la impedancia de puesta a tierra es grande comparada con la impedancia del generador y otras impedancias en el circuito, la tensión total fase-neutro será imprimida a través del dispositivo de puesta a tierra con una falla SLG en las terminales del generador. La tensión en el relé es función de la relación del transformador de distribución y del lugar de la falla. La tensión será máxima para una falla en terminales y disminuirá en magnitud a medida que la falla se mueva de las terminales del generador hacia el neutro. Típicamente, el relé de sobretensión tiene un ajuste de pickup mínimo de aproximadamente 5 Volts. Con este ajuste y con relaciones del transformador de distribución típicas, este esquema es capaz de detectar fallas hasta del orden del 2-5% al neutro del estator. El tiempo de ajuste del relé de sobretensión es seleccionado para proporcionar coordinación con otros TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS dispositivos de protección. Areas específicas de interés son: A) Cuando TPs Estrella a tierra-Estrella a tierra son conectados en terminales de la máquina, el relé de sobretensión del neutro a tierra debe ser coordinado con los fusibles del primario de los TPs para evitar el disparo del generador con fallas a tierra en el secundario de los TPs. Si el retardo de tiempo del relé para coordinación no es aceptable, el problema de coordinación puede ser aliviado aterrizando uno de los conductores de fase del secundario en lugar del neutro del secundario; así, una falla a tierra en el secundario implica una falla fase-fase en los TPs lo que no opera el relé de sobretensión de tierra del neutro. Sin embargo, cuando se emplea esta técnica, el problema de coordinación persiste con fallas a tierra en el neutro del secundario; así, su utilidad está limitada a aquellas aplicaciones en que la exposición del neutro secundario a fallas a tierra es pequeña. B) Es posible que el relé de tensión se tenga que coordinar con los relés del sistema para fallas a tierra en el sistema. Las fallas de fase a tierra en el sistema inducirán tensiones de secuencia cero en el neutro del generador debido al acoplamiento capacitivo entre los devanados del transformador de la unidad. Esta tensión inducida aparecerá en el secundario del transformador de distribución de puesta a tierra y puede causar la operación del relé de tensión de secuencia cero. Un relé de sobrecorriente de tiempo puede ser usado para protección de respaldo cuando el generador es puesto a tierra a través de un transformador de distribución con un resistor secundario. El transformador de corriente que alimenta al relé de sobrecorriente puede ser localizado ya sea en el circuito del neutro primario o en el circuito secundario del transformador de distribución, como se muestra en la figura 3. Cuando el transformador de corriente es conectado en el circuito secundario del transformador de distribución, se selecciona una RTC (relación de transformación de corriente) de manera que la corriente en el relé sea aproximadamente igual a la corriente primaria máxima en el neutro del generador. Se usa generalmente un relé de sobrecorriente con retardo de tiempo muy inverso o inverso para esta aplicación. El relé de sobrecorriente debe ser ajustado tal que no opere con corrientes de desbalance normal y las 18 corrientes armónicas de secuencia cero que aparecen en el neutro. El ajuste del pickup del relé de sobrecorriente no debe ser menor al 135% del valor máximo de la corriente medida en el neutro bajo condiciones de no-falla. En general, el relé de sobrecorriente proporciona protección menos sensible que el relé de sobretensión que detecta tensión de secuencia cero. De manera similar que el relé de sobretensión, el relé de sobrecorriente debe ser coordinado en tiempo con los fusibles del transformador de potencial y con los relés de tierra del sistema. b) Falla en el neutro Métodos de protección para falla a tierra en 100% del devanado del estator La protección convencional para detección de falla a tierra del estator en sistemas puestos a tierra con alta impedancia ha sido discutido en la sección previa. Estos esquemas, aunque adecuados, sólo proporcionan protección sensible para únicamente alrededor del 95% del estator. Esto es debido a que la falla en el 5% restante del devanado, cerca del neutro, no causará suficiente tensión residual y corriente residual de 60 Hz para operar a estos relés. Es importante proteger todo el generador con un sistema de protección de falla a tierra adicional de tal forma que se cubra el 100% del devanado. Las técnicas para la detección de fallas a tierra que cubran el 100% del devanado del estator pueden ser divididas en dos categorías: Técnicas basadas en tensión de tercera armónica. Inyección de tensión residual o de neutro. a) Operación normal c) Falla en terminales Figura 4. Tensiones de tercera armónica para diferentes condiciones en un generador típico Técnicas basadas en la tensión de tercera armónica. Las componentes de tensión de 3ª Armónica están presentes en las terminales de casi todas las máquinas en diferentes grados; se presentan y varían debido a las diferencias en el diseño y fabricación. Si están presentes en cantidad suficiente, estas tensiones son usadas por los esquemas de esta categoría para detectar fallas a tierra cerca del neutro. Las tensiones de tercera armónica medidas en el neutro, en terminales del generador, o en ambos, son usadas para proporcionar protección. Antes de discutir las técnicas y sus principios de operación, es importante ver las características de las tensiones de tercera armónica que usan estos esquemas como señales a los relés para la detección de fallas. La figura 4 muestra las tensiones de tercera armónica (V3RD) presentes en el neutro y terminales de un generador típico durante diferentes condiciones de carga: (a) bajo operación normal (b) para una falla en el extremo del neutro y (c) para una falla en las terminales del generador. Las siguientes observaciones pueden ser hechas a partir de la figura 4: 1. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS El nivel de tensión de tercera armónica en el neutro y terminales del generador es dependiente de las condiciones de operación del generador. La tensión es mayor a plena carga que en condiciones sin carga como se muestra en la figura 4; sin embargo, dependiendo del diseño del generador, podría también ser al revés. 19 2. Existe un punto en los devanados donde la tensión de tercera armónica es cero. La ubicación exacta de este punto depende de las condiciones de operación y del diseño del generador. 3. Para una falla a tierra en el neutro, la tensión de tercera armónica en el neutro se hace cero. Para una falla cercana al neutro, el nivel de tensión de tercera armónica en el neutro disminuirá y el nivel en las terminales del generador se incrementará. La cantidad de decremento o incremento depende de las condiciones de operación y de la ubicación de la falla. 4. 5. Para una falla a tierra en las terminales, la tensión de tercera armónica en las terminales, se vuelve cero. Si ocurre una falla cerca de las terminales del generador, el nivel de tensión de tercera armónica en el neutro se incrementará y el de las terminales disminuirá. La cantidad de decremento o incremento depende otra vez de las condiciones de operación prevalecientes y de la localización de la falla. Los niveles de tensión de tercera armónica varían de una máquina a otra, dependiendo del diseño. Los niveles de tercera armónica de cualquier generador deben ser medidos con el generador conectado y desconectado del sistema de potencia, antes de instalar cualquier esquema de protección basado en tercera armónica, para asegurar que existen los niveles adecuados para operar los diversos elementos de protección. Las técnicas basadas en el uso de la tensión de tercera armónica pueden ser divididas como sigue: • Técnica de baja tensión armónica en el neutro. • Técnica de tensión terminal residual de tercera armónica. • Técnica de armónica. comparador de de tercera tercera 59C 59GN 27 21, 2-2 Relé supervisor de sobretensión instantáneo. Relé de sobretensión sintonizado a la frecuencia fundamental (60 Hz). Relé de baja tensión sintonizado a la frecuencia de tercera armónica (180 Hz). Temporizadores. Figura 5. Un esquema de protección de falla a tierra de baja tensión de tercera armónica Técnica de baja tensión de tercera armónica (figura 5). Esta técnica usa el hecho de que para una falla cercana al neutro, el nivel de tensión de tercera armónica en el neutro disminuye. Por lo tanto, un relé de baja tensión que operan a partir de la tensión de tercera armónica medido en el extremo del neutro podría ser usado para detectar las fallas cercanas al neutro. Las fallas a tierra en la parte restante de los devanados pueden ser detectadas por la protección de falla a tierra convencional, por ejemplo, con un relé de sobretensión (59GN), el cual opera con la tensión de neutro de 60 Hz. La combinación de ambos relés proporciona protección al 100% del devanado del estator. Se muestra en la figura 5 un esquema de protección simplificada que usa esta técnica. Las señales de los relés se toman de las entradas de tensión medidas a través del resistor del neutro. Un transformador de aislamiento interno escala la caída de tensión al rango continuo del relé y también proporciona aislamiento del esquema de protección. La protección de baja tensión consiste de un filtro sintonizado de 180 Hz, un detector de nivel de baja tensión (27), una lógica en línea y un temporizador. La protección de sobretensión se construye con un filtro sintonizado a 60 Hz, un detector de nivel de sobretensión (59 GN) y un temporizador. Los ajustes de los detectores de nivel de baja tensión y sobretensión son tales que el traslape para todos los puntos de falla en el devanado del estator desde las TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 20 terminales hasta el neutro del generador es asegurado. Generalmente, una tensión de tercera armónica no mayor al 1% de la tensión nominal es necesario para proporcionar un traslape adecuado. Normalmente, la protección de baja tensión de tercera armónica puede proporcionar protección adecuada al 0-30% del devanado del estator, medido desde el neutro hacia las terminales de la máquina. Los ajustes del relé de baja tensión deben estar muy abajo del mínimo tensión de tercera armónica presente en el neutro durante la operación normal del generador. El relé de baja tensión de tercera armónica debe ser bloqueado para evitar disparos en falso durante el arranque o disparo del generador. Esto se logra proporcionando un relé de sobretensión (59C) supervisorio. En algunos casos, el generador no desarrolla una tensión de tercera armónica significativo hasta que tiene carga. En este caso, la supervisión usando un relé de sobrecorriente puede ser proporcionada; el relé de sobrecorriente operará cuando la corriente exceda su valor de pickup. Por lo tanto, bajo condiciones de carga ligera, y cuando el interruptor principal está abierto, el relé de baja tensión de tercera armónica estará fuera de servicio, por lo que un esquema de protección alterno debe ser considerado. La protección de baja tensión de tercera armónica operaría para circuitos abiertos o cortocircuitos de los devanados primario o secundario del transformador de puesta a tierra de neutro y no sería capaz de detectar un circuito abierto en la resistencia de puesta a tierra secundaria. Técnica de tensión en terminales residual de tercera armónica (figura 6). Esta técnica esta basada en el hecho de que para una falla cercana al neutro, el nivel de tensión de tercera armónica en las terminales del generador se incrementa. Por lo tanto, un relé de sobretensión que emplea tensión de tercera armónica en las terminales de un generador puede ser usado para detectar fallas cercanas al neutro. De manera similar a la técnica anterior, las fallas a tierra en al parte restante de los devanados pueden ser detectadas por la protección convencional del 95%, o sea, un relé de sobretensión que opera con tensión de neutro de 60 Hz. Ambos relés deben por lo tanto proporcionar protección al 100% de los devanados del estator, cubriendo diferentes porciones de los devanados. Un esquema de protección simplificado que emplea esta técnica se muestra en la figura 6. La tensión residual en las terminales de la máquina es suministrada por el transformador estrella a tierradelta abierta. Esta tensión se pasa a través de un filtro TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS sintonizado de 180 Hz y un detector de sobretensión (59T). En el extremo del neutro, la señal del relé se toma entre el resistor de neutro; un transformador de aislamiento interno en el relé reduce la caída de tensión a la capacidad continua del relé; esta tensión se pasa a través de un filtro sintonizado de 60 Hz y es entonces proporcionada a un detector de nivel de sobretensión (59GN). Para una falla a tierra cerca del neutro, el nivel de tensión de tercera armónica en las terminales del generador llega a ser elevado y el relé de sobretensión de tercera armónica operará. Este relé debe ser ajustado en tal forma que no responda a la máxima tensión de tercera armónica presente en las terminales del generador durante la operación normal. También, los ajustes de los relés de sobretensión en el extremo del neutro y en las terminales del generador deben ser tales que la detección de fallas en todo el devanado sea asegurada. 59GN Relé de sobretensión sintonizado a la frecuencia fundamental (60 Hz). 59T Relé de sobretensión sintonizado a la frecuencia de tercera armónica (180 Hz). 2-1. 2-2 Temporizadores Figura 6. Esquema de protección de falla a tierra basado en la tensión residual en terminales de tercera armónica Técnica del comparador de tercera armónica (figura 7). Este esquema compara la magnitud de la tensión de tercera armónica en el neutro del generador con el de las terminales del generador. El esquema está basado en la consideración de que la relación de la tensión de tercera armónica en las terminales del generador al del neutro del generador es casi constante durante la 21 operación normal del generador. Esta relación es afectada con una falla a tierra cercana al neutro o cercana a las terminales del generador; este hecho es usado para detectar estas fallas. Las fallas a tierra en la parte restante de los devanados son detectadas por la protección de falla a tierra convencional del 95%, esto esjemplo, un relé de sobrecorriente o sobretensión de 60 Hz que opera a partir de corriente o tensión del neutro, respectivamente. La figura 7 muestra un diagrama simplificado de un esquema comparador. 59GN 59D Relé de sobretensión convencional sintonizado a la frecuencia fundamental. Relé diferencial de tensión de tercera armónica. Figura 7. Esquema de protección de falla a tierra basado en un comparador de tercera armónica El principio básico de operación de este esquema es un método de tercera armónica diferencial. Consiste de dos puentes rectificadores de onda completa, dos filtros de paso 180 Hz y un transformador de aislamiento/acoplamiento. El transformador de aislamiento es usado para acoplar la tensión de tercera armónica de las terminales del generador al del extremo del neutro. Cualquier diferencia de tensión causará que la corriente fluya en el relé diferencial. Este relé considera que la relación de la tensión de tercera armónica en las terminales del generador a la tensión de tercera armónica en el neutro del generador permanece constante durante condiciones normales. Si esta relación cambia, causará que aparezca una diferencia de tensión, y el relé diferencial operará. También, variaciones ligeras en esta relación durante la operación normal reducirán la sensibilidad del relé. Los ajustes del relé de protección convencional de 95% (59GN) y los del relé diferencial de tercera armónica (59D) deben ser seleccionados en tal forma, que la Carga de la Unidad cobertura de detección de falla se asegure en todo el devanado del estator. El relé diferencial de tercera armónica detecta fallas a tierra cerca del neutro al igual que en las terminales. El relé de falla a tierra convencional del 95% detecta las fallas en la parte superior de los devanados y traslapa gran parte de los devanados protegida con el relé diferencial de tercera armónica. La sensibilidad del relé diferencial de tercera armónica es mínima para una falla cercana a la mitad del devanado. En este punto, la diferencia entre las tensiones de tercera armónica en el neutro y en las terminales es muy cercana al ajuste del relé. El ajuste del relé es usualmente determinado por pruebas de campo durante la puesta en servicio. Como un ejemplo, la magnitud de tensión de tercera armónica en el neutro y en las terminales y su relación para diferentes condiciones de operación para un generador típico son dadas en la Tabla 1. La necesidad de TPs múltiples y la necesidad de pruebas de campo para la determinación de ajustes del relé son los puntos débiles de este esquema. Sin embargo, este esquema proporciona la cobertura óptima del 100%. Esquema de inyección de tensión (figura 8). Debido a variaciones de diseño, ciertas unidades generadoras podrían no producir suficientes tensiones de 3ª armónica para aplicar los esquemas de protección de falla a tierra basados en señales de tercera armónica. En estas situaciones serían necesarias técnicas alternas de detección de falla. El esquema de inyección de tensión detecta fallas a tierra inyectando una tensión en el neutro o residualmente en un secundario de TP en delta rota. La protección completa de falla a tierra está disponible cuando el generador está en torna flecha y durante el arranque, dado que la fuente de tensión inyectada no se origina en el generador. Algunos esquemas inyectan una señal codificada a una frecuencia sub-armónica la cual puede ser sincronizada con la frecuencia del sistema. Uno de estos esquemas inyecta una frecuencia de 15 Hz en el neutro del generador se muestra en la figura 8. La corriente resultante de 15 Hz es medida. Cuando ocurre una falla a tierra, la corriente de 15 Hz se incrementa y hace que el relé opere. La señal inyectada de 15 Hz es sincronizada con la tensión de 60 Hz en terminales del generador. Tensión RMS de 180Hz TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Relación de tensión en 22 MW 0 7 35 105 175 340 MVAR 0 0 5 25 25 25 Neutro 2.8 2.5 2.7 4.2 5.5 8.0 Terminales 2.7 3.7 3.8 5.0 6.2 8.0 Terminal/Tensión en neutro 1.08 1.48 1.41 1.19 1.13 1.00 Tabla 1. Magnitudes de tensiones de tercera armónica para un Generador típico. circuitos abiertos en el primario o secundario del transformador de puesta a tierra, porque esto causa un decremento en la corriente de 15 Hz y no un incremento como necesita el esquema para indicar una falla. Una condición de baja corriente puede, sin embargo, ser usada para dar una alarma para indicar un problema en el sistema de puesta a tierra o pérdida de la fuente subarmónica. MODO DE DISPARO Figura 8. Esquema de inyección de tensión sub-armónico para protección de falla a tierra El esquema de inyección de tensión opera con la misma sensibilidad para fallas en todo el rango de los devanados. También proporciona protección de falla a tierra del 100%, independientemente de los esquemas de falla a tierra del 95%. Además, estos esquemas son auto-monitoreados y tienen una sensibilidad independiente de la tensión, corriente de carga o frecuencia del sistema. El uso de frecuencias sub-armónicas ofrece sensibilidad mejorada debido a la trayectoria de mayor impedancia de las capacitancias del generador en estas frecuencias. También, las integraciones durante medio ciclo de la frecuencia sub-armónica causan contribuciones cero de las señales de frecuencia y armónicas del sistema (esto es, 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, etc.) y, por lo tanto, éstas no influencian las mediciones. La penalización económica (alto costo) asociada con proporcionar y mantener una fuente sub-armónica confiable es una desventaja. Otra desventaja del esquema es su inhabilidad para detectar Todos los métodos de detección de tierra en el estator descritos en esta sección deben ser conectados para disparar y parar al generador. REFERENCIAS 1. "IEEE Guide for Generator Ground Protection" ANSI/ IEEE C37.101-1993. 2. C.H. Griffin and J.W. Pope, "Generator Ground Fault Protection Using Overcurrent Overvoltage and Undervoltage Relays," IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS- 101, No. 12, Dec. 1982, pp. 4490-4501. 3. J.W. Pope, "A Comparison of 100% Stator Ground FauIt Protection Schemes for Generator Stator Windings," IEEE Trans. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No.4, April 1984, pp. 832840. 4. IEEE Guide for "AC Generator Protection Guide" ANSI/IEEE C37.102-1988. 5. "Protective Relaying, Theory and Application," ABB Relaying Division, Coral Springs, FL, Marcel Dekker, 1994. APÉNDICE I TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 23 Este apéndice presenta un ejemplo de cómo calcular las cantidades de falla de secuencia cero y cómo determinar los valores y capacidades de los elementos de puesta a tierra (resistor y transformador) usados en los esquemas convencionales de 95%, 60 Hz de protección con puesta a tierra a través de alta impedancia. La figura A muestra un generador de 975 MVA, 22 kV, conectado en forma unitaria a un sistema de transmisión de 345 kV y puesto a tierra a través de un transformador de distribución. FIGURA A. SISTEMA DE EJEMPLO Debido a la puesta a tierra de alta resistencia, las capacitancias a tierra en el sistema, las cuales normalmente no son tomadas en cuenta debido a sus altos valores de reactancia en comparación con las reactancias inductivas serie en el sistema, se vuelven significativas. En general, éstas son capacitancias distribuidas, pero para propósitos de estos cálculos pueden ser “concentradas” y modeladas como un solo capacitor. Las capacitancias más significativas en el sistema mostrado (y en cualquier sistema similar) son las asociadas con los devanados del generador, los capacitores y los apartarayos de protección contra sobretensión del generador y los devanados de baja tensión del transformador elevador del generador. Estos tres elementos típicamente suman más del 95% de la capacitancia del sistema a tierra. Otras fuentes son los buses de fase aislada, los devanados de alta tensión del transformador auxiliar de la unidad y los devanados de alta tensión de los transformadores de instrumento (por ejemplo TPs del generador). Generalmente, los valores de capacitancia deben ser obtenidos del fabricante del equipo; sin embargo, las pruebas de factor de potencia o aislamiento (por ejemplo pruebas tipo “Doble”) son excelentes fuentes para medirlas. Todos los valores de capacitancia usados para estos TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS cálculos deben ser valores de fase a tierra en base de “por unidad”. Nótese que la capacitancia en farads o microfarads necesita ser convertida a reactancia capacitiva (ohms) a 60 Hz. Supóngase que la reactancia capacitiva fase a tierra del generador, transformador, terminales y equipo asociado en el sistema de la figura A es Xoc = 6780 ohms/fase. El valor óhmico del resistor secundario ha sido seleccionado de tal forma que reflejado a través del transformador de distribución, la resistencia resultante Rn sea igual a 1/3 de X0C. Rn = 0.738 (13,280/240)2 = 2260 Ω Para propósitos de análisis, supóngase una falla SLG en las terminales del generador. En términos de cantidades resultantes de falla (tensión y corriente), esta ubicación representa el peor caso. Esto es, el desplazamiento del neutro (o desarrollo de 3Vo a través del devanado secundario del transformador de distribución) y las magnitudes de corriente de falla son las mayores. En términos de la sensibilidad del relé, este es el “mejor” lugar para que ocurra una falla SLG, debido precisamente a que las cantidades son las mayores, y por lo tanto, la probabilidad de detección es la mayor. Cuando la falla se va moviendo hacia el interior del devanado del generador (hacia el neutro), las cantidades de falla disminuyen en magnitud, reduciendo la capacidad de los dispositivos de protección para detectarlas. En la Figura A se muestra una falla a tierra en las terminales del generador. SOLUCIÓN POR COMPONENTES SIMÉTRICAS Por componentes simétricas, las fallas SLG son calculadas conectando las redes de secuencia positiva, 1 negativa y cero en serie como se muestra en la figura B (1) y resolviendo Io. FIGURA B. CIRCUITOS EQUIVALENTES DE COMPONENTES SIMÉTRICAS PARA FALLA SLG capacitancia de secuencia cero distribuida. La red de secuencia cero está abierta en el devanado en delta del transformador elevador del generador y consiste del resistor del neutro del generador convertido al primario, en paralelo con la capacitancia de fase a tierra de los devanados del generador y equipo asociado. El circuito equivalente aproximado es mostrado en la figura B(2), a la cual se aplican las siguientes definiciones: Io = Ion + Ioc Donde: Io = Corriente total de falla de secuencia cero. Ion = Corriente de secuencia cero que fluye en el resistor de neutro. Ioc = Corriente de secuencia cero que fluye en la capacitancia compactada. Sea Zoeq el equivalente del paralelo de la combinación de 3Rn y - jXoc. Zoeq = 0.5 (6780 – j6780) = (3390 – j3390) Ohms. Si E1g es la tensión de fase a neutro del generador (secuencia positiva): E1g = Fuente del generador. E1s = Fuente del Sistema. g = Generador. t = Transformador del generador. S = Sistema de potencia. FIGURA B(1). CIRCUITO EQUIVALENTE DE COMPONENTES SIMÉTRICAS PARA CÁLCULO DE FALLA SLG E1g = 22000 = 12,700 V (Se considera ángulo de fase de 0°). 3 Entonces, Io en la falla es: Io = E1g Zoeq = 12700 = (1.873 + j1.873) Amperes. 3390 − j3390 Puesto que Ifalla = 3Io, entonces : Ifalla = 3(1.873 + j1.863) = (5.62 + j5.62) Amperes. FIGURA B(2). REDUCCIÓN APROXIMADA DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DE COMPONENTES SIMÉTRICAS Las impedancias equivalentes de secuencia positiva y negativa del sistema y la impedancia de secuencia cero del generador pueden ser despreciadas debido a que son extremadamente pequeñas comparadas con el circuito equivalente compuesto por el resistor del neutro y la TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Alternativamente, encontrando las corrientes en 3Rn y Xoc respectivamente, llega al mismo resultado. Sea In la corriente en el neutro del generador, entonces: In 3( = E1g 3Rn 3I0n = )= E1g Rn = 12700 = 5.62 Amperes 2260 25 Con Xc= 6780 ohms/fase, la contribución capacitancia a la corriente de falla es: Ic = 3Ioc = 3 E1g − jXc = de la 3(12700) = j5.62 Amperes - j6780 La corriente de falla total, Ifalla es igual a 3Io = In + Ic : Ifalla = 5.62 + j5.62 = 7.95 ∠45° Amperes In es la corriente que fluye en el neutro del generador para una falla SLG en las terminales del generador. La corriente Isec que fluye en el secundario del transformador de distribución y a través del resistor R, es In multiplicado por la relación de vueltas del transformador de distribución: Isec = 5.62 13280 240 = 311 Amperes. La tensión a través del resistor secundario es: e Isec, son las Las últimas dos cantidades, VR disponibles para ajustar los relés. El lector debe recordar que el valor de la resistencia del resistor de puesta a tierra fue seleccionado con base en las capacitancias de secuencia cero en el sistema. Las capacidades continuas del resistor y transformador de puesta a tierra se seleccionan asumiendo un desplazamiento total de la tensión del neutro (debido a la falla SLG en las terminales del generador). Como se mostró arriba, VR para la condición de este ejemplo es 229.5 V. Esto implica una capacidad continua para el resistor y el transformador de al menos 71.4 kW. La capacidad del resistor es: kW = Isec x VR 229.5 x 311 = = 71.4 1000 1000 La capacidad del transformador es: kVA = VNOMINAL x Isec 1000 = 240 x 311 = 74.6 1000 VR = Isec (R) = 311 (0.738) = 229.5 Volts. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 26 SECCIÓN 5 PROTECCIÓN CONTRA FRECUENCIA ANORMAL Resumen Tanto el generador como la turbina están limitados en el grado de operación a frecuencia anormal que puede ser tolerados. A frecuencias reducidas, se tendrá una reducción en la capacidad del generador. La turbina, especialmente turbinas de vapor y gas, es considerada más estricta que el generador a frecuencias reducidas debido a las posibles resonancias mecánicas en las muchas etapas de los álabes de la turbina. La desviación de la velocidad nominal bajo carga traerá estímulos de frecuencias cercanos a una o más de las frecuencias naturales de los varios álabes y habrá un incremento en los esfuerzos vibratorios. A medida que se incrementan los esfuerzos vibratorios, el daño es acumulado, lo cual puede conducir a la fractura de algunas partes de la estructura de los álabes. La protección primaria de baja frecuencia para generadores de turbinas se proporciona por la implementación de un programa de corte de carga automático en el sistema de potencia. Estos programas de corte de carga deben ser diseñados de tal forma que para la condición de máxima sobrecarga posible, sea cortada suficiente carga para restaurar rápidamente la frecuencia del sistema a un valor cercano al normal. La protección de respaldo para condiciones de baja frecuencia es proporcionada por el uso de uno o más relés de baja frecuencia y timers en cada generador. Los relés de baja frecuencia y los timers son usualmente conectados para disparar al generador. Introducción Cuando un sistema de potencia está en operación estable a frecuencia normal, la entrada total de potencia mecánica del impulsor primario del generador es igual a la suma de las cargas conectadas, y todas las pérdidas de potencia real en el sistema. Una alteración sensible de este balance causa una condición de frecuencia anormal del sistema. Las condiciones de frecuencia anormal pueden causar disparos de generadores, que líneas de enlace se abran por sobrecarga o que partes del sistema se separen debido a las oscilaciones de potencia y a la inestabilidad resultante. Esto podría dar TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS como resultado que el sistema de potencia se separe en una o más islas aisladas eléctricamente. La mayoría de las empresas suministradoras han implementado un programa de corte de carga automático para evitar tanto colapsos totales del sistema como para minimizar la posibilidad de daño al equipo durante una condición de operación con frecuencia anormal. Estos programas de corte de carga están diseñados para: • Cortar sólo la carga necesaria para liberar la sobrecarga en la generación conectada. • Minimizar el riesgo de daño a las plantas generadoras. • Mitigar la posibilidad de eventos en cascada como resultado del disparo por baja frecuencia de una unidad. • Restaurar rápidamente la frecuencia sistema a un valor cercano al normal. del En un sistema de potencia pueden ocurrir dos tipos de condiciones de frecuencia anormal: 1. La condición de baja frecuencia ocurre en un sistema de potencia como resultado de una súbita reducción en la potencia de entrada por la pérdida de generador(es) o pérdidas de enlaces clave de importación de potencia. Esto puede producir un decremento en la velocidad del generador, lo que causa una disminución de la frecuencia del sistema. 2. La condición de sobrefrecuencia ocurre como resultado de una pérdida súbita de carga o pérdida de enlaces clave de exportación de potencia. La salida del impulsor que alimentaba la carga inicial es absorbida por la aceleración de estas unidades y puede resultar un incremento en la frecuencia del sistema. Existen dos consideraciones principales asociadas con la operación de una planta generadora a frecuencia anormal. Estas son: • La protección del equipo contra el daño que podría presentarse por la operación a frecuencia anormal. 27 • La prevención del disparo accidental de la unidad generadora por una condición de frecuencia anormal recuperable que no exceda los límites de diseño del equipo de la planta. Las partes principales de una planta generadora que son afectadas por la operación a frecuencia anormal son el generador, transformadores elevadores, turbina y las cargas auxiliares de la subestación. Operación a frecuencia generadoras de vapor. anormal de tanto, la operación dentro de los límites de sobrefrecuencia de la turbina no producirá sobrecalentamiento del generador si la Potencia (kVA) y la tensión nominal no son excedidas. Si el regulador de tensión del generador es mantenida en servicio a frecuencias significativamente reducidas, los límites de Volts por Hertz de un generador podrían ser excedidos. Sin embargo, la mayoría de los incidentes de Volts por Hertz excesivos ocurren por otras razones diferentes a la operación a frecuencia reducida y son analizadas en otra sección de este tutorial. plantas B. A. Capacidad de alta/baja frecuencia del generador. Aunque no ha sido establecida una norma para la operación a frecuencia anormal de generadores sincrónicos, se reconoce que la reducción de frecuencia origina ventilación reducida; por lo tanto, la operación a baja frecuencia deberá ser a kVA reducidos. Es casi seguro que una operación a baja frecuencia de la unidad, es acompañada por valores altos de corriente de carga tomada del generador. Esto podría causar que se exceda la capacidad térmica de tiempo corto del generador. Los niveles de operación permisibles de tiempo corto para el estator y el rotor de generadores sincrónicos de rotor cilíndrico son especificados en ANSI C50.13. Las limitaciones en la operación de generadores en condición de baja frecuencia son menos restrictivas que las de la turbina. Sin embargo, cuando se requiere protección del generador, ha sido una práctica en la industria proporcionar protección contra sobrecorriente. La sobrefrecuencia es usualmente resultado de una súbita reducción en la carga y por lo tanto es usualmente asociada con operación a carga ligera o sin carga. Durante la operación con sobrefrecuencia, la ventilación de la máquina es mejorada y las densidades de flujo para una tensión en terminales dada son reducidas. Por lo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Capacidad de alta/baja frecuencia de la turbina La consideración principal en la operación de una turbina de vapor bajo carga a frecuencia diferente de la síncrona es la protección de los álabes largos en la sección de baja presión de la turbina. La figura 1 ilustra una representación de los límites más restrictivos (refiérase a ANSI C37.106) para las limitaciones de operación a carga plena o parcial de una turbina de vapor grande durante frecuencia anormal. La operación de estas etapas bajo carga, a una velocidad que causa una coincidencia de la banda de frecuencia natural de los álabes conducirá a daño por fatiga de los álabes y finalmente a falla de los álabes. Este problema puede ser particularmente severo cuando fluye corriente de secuencia negativa a través de la armadura del generador, excitando por eso frecuencias torsionales, de alrededor de 120 Hz. La protección contra sobrefrecuencia generalmente no es aplicada debido a que los controles de reducción del gobernador o las acciones del operador son consideradas suficientes para corregir la velocidad de la turbina. Sin embargo, debe considerarse el impacto sobre la protección de sobrevelocidad y el aislamiento de la unidad durante una condición de sobrefrecuencia. Esto es necesario para asegurar la coordinación y la protección de los álabes de la turbina para condiciones de sobrefrecuencia. Los límites de operación para las unidades son mostrados en la figura 1 arriba de la línea de 60 Hz. 28 FIGURA 1. Límites de operación típicos de turbinas de vapor a carga parcial o plena durante frecuencia anormal. Registrador de baja frecuencia (59.5) Hz. Alarma por baja frecuencia Turbina/Generador 81-1 (58.5 Hz.) Transformador elevador OR 81-2 (58.5 Hz.) Alarma AND 62 (5.0 min.) Disparo Turbina/Generador On-Line TP’s 81-3 (57.0 Hz.) Gen OR 81-4 (57.0 Hz.) Alarma Disparo Turbina/Generador (1.0 seg de retardo) AND On-Line 62 Relevador de retardo de tiempo 81 Relevador de baja frecuencia FIGURA 2. Diagrama de bloque del esquema de protección. BANDA DE FRECUENCIA, Hz RETARDO DE TIEMPO 60.0 – 59.5 - 59.5 Ninguno 59.5 – 58.5 - 58.5 – 57.0 5.0 min. COMENTARIOS No hay acción de relés. La turbina puede operar continuamente. Alarmas del registrador de frecuencia. El operador del sistema debe cortar carga o aislar la unidad en 30 minutos. Estas bandas podrían disparar o alarmar, dependiendo de las prácticas de las empresas. Por “alarma”, el operador tiene este tiempo para cortar carga o aislar la unidad. Tabla 1. Ajustes de frecuencia y Timers para el esquema anterior. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 29 Figura 3 Ejemplo de aplicación. Los métodos de protección para evitar la operación de la turbina fuera de los límites preescritos serán restringidos a la protección de baja frecuencia. Los esquemas de corte de carga del sistema proporcionan la protección primaria de la turbina por baja frecuencia. Un corte de carga apropiado puede hacer que la frecuencia del sistema regrese a la normalidad antes de que los límites anormales de la turbina sean excedidos. Los relés de baja frecuencia para corte de carga automático son usados para cortar la cantidad requerida de carga necesaria para mantener un balance cargageneración durante una sobrecarga del sistema. Por lo tanto, la operación a otras frecuencias diferentes a la nominal o cercanas a la velocidad nominal está restringida en tiempo a los límites para las distintas bandas de frecuencia publicadas por cada fabricante de turbinas para varios diseños de álabes. Los límites de frecuencia anormal son basados generalmente en las peores condiciones debido a que: 1. Las frecuencias naturales de los álabes dentro de una etapa difieren debido a tolerancias de manufactura. 2. La fatiga podría incrementarse con operación normal por razones tales como golpeteo, corrosión y erosión de los bordes de los álabes. 3. El límite debe también reconocer el efecto de pérdida adicional de vida de los álabes ocurrido durante las condiciones de operación anormal no TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS asociadas con la operación a bajavelocidad o sobrevelocidad. Los sistemas de potencia cuyos diseños son tales que pueden formar islas en el sistema debido a los esquemas de corte de carga o circunstancias imprevistas, deben considerar la protección de baja frecuencia del turbogenerador para reducir el riesgo de daño en la turbina de vapor en el área aislada. Además, la protección de baja frecuencia del turbogenerador proporciona protección de respaldo contra la falla del sistema de corte de carga. Un esquema de relés típico para proporcionar disparo de generador durante una condición de baja frecuencia de la cual el sistema puede recuperarse, minimizando el riesgo de daño en la turbina, es mostrado en la figura 2. La Tabla 1 resume los ajustes de frecuencia y tiempo usados en la figura 2. La línea punteada en la figura 3 representa la característica de ajustes del relé y la línea sólida representa los límites de daño de la turbina. Los criterios de diseño siguientes se sugieren como guías en el desarrollo de un esquema de protección por baja frecuencia: 1. Establecer los puntos de disparo y los retardos de tiempo con base en los límites de frecuencia anormal del fabricante de la turbina. 2. Coordinar los relés de disparo por baja frecuencia del turbogenerador con el programa de corte de carga automático del sistema. 30 3. La falla de un relé sólo de baja frecuencia no debe causar un disparo innecesario de la máquina. 4. La falla de un relé sólo de baja frecuencia para operar durante una condición de baja frecuencia no debe arriesgar el esquema de protección integral. 5. Los relés deben ser seleccionados con base en su exactitud, rapidez de operación, y capacidad de reposición. 6. El sistema de protección de baja frecuencia de la turbina debe estar en servicio si la unidad está sincronizada al sistema o mientras está separada del sistema pero alimentando a los servicios auxiliares. 7. Proporcionar alarmas separadas para alertar al operador de una frecuencia en el sistema menor que la normal y de que hay un disparo pendiente de la unidad. C. Consideraciones de baja frecuencia–Auxiliares de una planta de vapor. La habilidad del sistema del suministro de vapor para continuar operando durante un período extenso de operación en baja frecuencia depende del margen en la capacidad de los impulsores de motor auxiliares y de las cargas impulsadas por las flechas. Los equipos auxiliares más limitados son generalmente las bombas de agua de alimentación de la caldera, bombas de agua de circulación y bombas de condensado, puesto que un porcentaje de reducción de velocidad causa un mayor porcentaje de pérdida de capacidad. La frecuencia crítica en la cual el comportamiento de las bombas afectará la salida de la planta varía de planta a planta. Consecuentemente, el nivel de frecuencia segura mínima para mantener la salida de la planta depende de cada planta y del diseño del equipo y la capacidad asociada con cada unidad generadora. La protección contra operación a baja frecuencia es usualmente asignada al equipo de protección térmica, pero es posible una protección más refinada usando un relé sensible a la frecuencia o un relé de Volts por Hertz, el cual mide las condiciones reales del sistema. Operación a frecuencia generadoras nucleares A. Capacidad de turbogenerador. anormal alta/baja de plantas frecuencia del TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Las consideraciones relativas al turbogenerador que afectan las operaciones de la planta son, en general, las mismas que ya se discutieron en la sección de plantas generadoras de vapor. B. Consideraciones de baja frecuencia en los auxiliares de las plantas generadoras nucleares. El mayor efecto de una condición de baja frecuencia sobre el sistema de auxiliares de la planta es causar que las salidas de varias bombas eléctricas de flujo refrigerante en el sistema de vapor nuclear sean reducidas. La operación como resultado de la reducción del flujo en partes del sistema puede provocar deterioro en el equipo de la planta. Los diseños de plantas nucleares basados en reactor de agua presurizada (PWR) y reactor de agua hirviente (BWR) son analizados separadamente debido a que difieren sus respuestas a operación con frecuencia anormal. Plantas PWR El impacto de frecuencias anormales sobre unidades PWR es su efecto sobre la velocidad de la bomba de enfriamiento del reactor, la cual varía con la frecuencia del sistema de potencia. Si la frecuencia en la planta se colapsa, el reactor será disparado automáticamente cuando esta condición origina un flujo de enfriamiento reducido a través del reactor. Cuando el reactor se dispara, el generador es también disparado y el reactor es apagado con la bomba de enfriamiento del reactor conectada al sistema de potencia. Si la frecuencia continúa decayendo a una velocidad mayor que el índice de diseño de la bomba de enfriamiento del reactor, la velocidad del flujo de enfriamiento del reactor será reducido por el decaimiento de la frecuencia del sistema. Esta condición podría significar un desafío a la operación segura de la planta. Este es uno de los más serios efectos que una condición de baja frecuencia puede causar en una planta PWR. Analizando el problema indicado arriba, se ve que una posible solución es aislar las bombas de enfriamiento del reactor del sistema de potencia si el decaimiento de la frecuencia del sistema excede el índice de diseño de la bomba. Para lograr este objetivo se requiere la aplicación de un relé de baja frecuencia para disparar al reactor y al generador a un nivel de frecuencia que permita que una bomba de enfriamiento del reactor aislada cumpla sus requerimientos de desempeño operacional. Los siguientes parámetros deben ser 31 considerados cuando se aplique la protección de baja frecuencia a una planta PWR. 1. La desviación diseñada del índice de calentamiento nuclear de la planta. 2. El tamaño del sistema de enfriamiento con respecto al núcleo del reactor. 3. El índice máximo de decremento de la frecuencia del sistema de potencia que puede ser encontrado. 4. La capacidad del núcleo con respecto a la carga. 5. Coordinación con los esquemas de corte de carga del sistema de potencia. 6. Las condiciones de tensión del sistema que existan en el momento de un decremento de la frecuencia del sistema. Plantas BWR Algunas unidades de reactor de agua hirviente BWR emplean grupos motor-generador no calificados sísmicamente para la alimentación de energía a los sistemas de protección del reactor. Para asegurar que estos sistemas puedan cumplir sus funciones de seguridad durante un sismo para el cual una condición de baja frecuencia del grupo motor-generador o de la alimentación alterna podría dañar los componentes de este sistema, se proporcionan relés de baja frecuencia redundantes. Esta protección es proporcionada entre la fuente de potencia alterna y los buses del sistema de protección del reactor. La operación de uno o ambos relés de baja frecuencia asociados con un sistema de protección del reactor causará un semi-rechazo de carga de la unidad. Si uno o ambos relés de baja frecuencia operan en cada uno de los buses de protección del sistema del reactor, ocurrirá un rechazo de carga completo de la unidad. Existen varios factores que deben ser considerados en el ajuste de los relés de baja frecuencia para unidades BWR: 1. La característica de tolerancia del relé de baja frecuencia. 2. La característica de deslizamiento de los grupos motor-generador. 3. Las características de los esquemas de corte de carga del sistema. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Operación con frecuencia anormal de turbinas de combustión: Las limitaciones para generadores de turbinas de combustión (CTGs) son similares en varios aspectos a las de los generadores de turbinas de vapor. Existen, sin embargo, ciertas diferencias en el diseño y aplicación de CTGs que pueden originar diferentes requerimientos de protección. Una turbina de combustión podría perder flujo de aire si se intenta mantener su salida completa durante condiciones de baja frecuencia. La pérdida de flujo de aire podría causar un eventual disparo de la unidad por sobretemperatura de los álabes. Los CTGs son equipados con un sistema de control que descarga automáticamente la unidad reduciendo el flujo de combustible de acuerdo a como disminuya la velocidad. Este control tiene el efecto total de proteger los álabes de la turbina contra daños y al generador contra sobrecalentamiento durante la operación a baja frecuencia de la unidad. En general, los CTGs tienen una mayor capacidad para operación a baja frecuencia que las unidades de vapor, particularmente si el sistema de control incluye una característica de reducción de carga. La operación continua de CTGs está en el rango de 56-60 Hz, siendo los álabes de la turbina el factor limitante. Estos factores, más los otros discutidos antes, sugieren un esquema de protección por baja frecuencia con un solo punto de ajuste de disparo en o abajo del menor punto de ajuste de disparo por baja frecuencia para las unidades de vapor en la vecindad. Los siguientes lineamientos deben ser usados cuando se aplique la protección por baja frecuencia a turbinas de combustión: 1. Usar un relé de baja frecuencia por cada unidad, alimentado por los transformadores de potencial de la unidad. 2. Si se desea agregar seguridad, se debe supervisar el disparo con un segundo relé de baja frecuencia. Este relé puede ser común a varias unidades. 3. Se debe estar consciente de la existencia de protección por baja frecuencia proporcionada por el fabricante en el sistema de control de la unidad. puede ser requerida la coordinación de ajustes y lógica de disparos para evitar interferencia con la protección externa. 32 Operación con frecuencia anormal generadoras de ciclo combinado de unidades En una instalación de generación de ciclo combinado, la cual es una combinación de una unidad de turbina de combustión y una unidad de turbina de vapor, las limitaciones de baja frecuencia son las descritas en la sección asociada con cada tipo de unidad. Se recomienda para la protección de una instalación de ciclo combinado proporcionar esquemas separados de protección por baja frecuencia para cada unidad de la planta de ciclo combinado. El método usado deberá seguir las recomendaciones indicadas en la sección de cada unidad. Unidades generadoras hidráulicas Las turbinas hidráulicas pueden usualmente tolerar desviaciones de frecuencia mucho mayores que las turbinas de vapor o de combustión. La protección de baja frecuencia no es normalmente requerida para la protección de la turbina. El índice máximo de cambio de flujo de agua a través de la turbina es muchas veces limitado por las presiones máxima o mínima que pueden ser toleradas en la válvula de bloqueo de agua. La velocidad limitada a la cual pueda ser cerrada la compuerta de entrada de agua podría causar sobrevelocidades superiores al 150% de la velocidad nominal bajo pérdida súbita de carga. Aunque estas grandes velocidades pueden ser toleradas por un tiempo corto, las unidades deben ser regresadas a su velocidad nominal en segundos por la acción del gobernador. Si se tiene una falla del gobernador, la turbina podría “desbocarse” a velocidades cercanas al 200% de la nominal. La protección por sobrefrecuencia puede ser aplicada en generadores hidráulicos como respaldo o como reemplazo de dispositivos de sobrevelocidad mecánicos. Estos relés pueden ser ajustados a una frecuencia menor que la máxima que ocurre durante un rechazo de carga, pero con el retardo de tiempo apropiado para permitir la acción del gobernador. Si la acción del gobernador no logra controlar la frecuencia en un tiempo apropiado, la protección de sobrefrecuencia operarará. La operación de la protección de sobrefrecuencia podría indicar un mal funcionamiento en el sistema de control de compuertas de la turbina. Por lo tanto, esta protección puede ser conectada para cerrar las compuertas de entrada de emergencia de turbinas o las válvulas aguas arriba de las compuertas de entrada de la turbina principal. Debido a las grandes variaciones de frecuencia que pueden ser esperadas durante cambios de carga súbitos en generadores hidráulicos, las cargas de consumidores que puedan ser conectadas a islas con tal generación pueden ser protegidas con protección de sobre y baja frecuencia. Estos relés pueden ser ajustados con bandas más estrechas y con retardos de tiempo menores que los necesarios para la protección de plantas generadoras. Los relés son algunas veces conectados a los transformadores de tensión (TPs) en la planta generadora. Tales dispositivos de “Protección de Calidad” no deben ser confundidos con la protección del generador. Su función es proteger la calidad de la alimentación a los consumidores, y son usualmente conectados para disparar las cargas, con tal vez disparo no requerido del generador. Puesto que los requerimientos de ajustes para la protección de calidad son completamente independientes de los requerimientos para la protección de la turbina o el generador, pueden requerirse relés diferentes para las dos funciones. Referencias: 1. ANSI/IEEEC37.106-1987 IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. 2. Westinghouse Total Integration Protection of Generators, Section 4 Off-Frequency Operation – Generator Considerations by M.S. Baldwin, Section 5 Steam Turbine Off Frequency Operation by A.J. Partington. 3. General Electric –GET-6449 Load Shedding, Load Restoration and Generator Protection Using SolidState and Electromechanical Underfrequency Relays, Section 1 Basic Application of Underfrequency Relays, Section 4 Protection of Steam Turbine-Generators During Abnormal Frequency Conditions. 4. ANSI/IEEE C37.96-1988 IEEE Guide for AC Motor Protection. SECCIÓN 6 TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 33 PROTECCIÓN DE SOBREEXCITACIÓN Y SOBRETENSIÓN RESUMEN Las normas ANSI/IEEE establecen que los generadores deben operar exitosamente a kVA nominales para niveles de tensión y frecuencia dentro de límites especificados. Las desviaciones en frecuencia y tensión fuera de estos límites pueden causar esfuerzos térmicos y dieléctricos que pueden causar daño en segundos. La sobreexcitación y la sobretensión son desviaciones para las cuales se necesitan proporcionar esquemas de monitoreo y protección. INTRODUCCIÓN La sobreexcitación de un generador o cualquier transformador conectado a las terminales del generador ocurrirá típicamente cuando la relación tensión a frecuencia, expresada como Volts por Hertz (V/Hz) aplicada a las terminales del equipo exceda los límites de diseño. Las normas ANSI/IEEE han establecido los siguientes limites: Generadores el evento debido a que la relación Volts a Hertz no ha cambiado. Es práctica general el proporcionar un relé de sobretensión para alarmar, o en algunos casos, disparar los generadores por estos altos niveles de esfuerzos eléctricos. FUNDAMENTOS DE SOBREEXCITACIÓN Los relés de sobreexcitación, o V/Hz, son usados para proteger a los generadores y transformadores de los niveles excesivos de densidad de flujo magnético. Los altos niveles de densidad de flujo son causados por una sobreexcitación del generador. A estos altos niveles, las trayectorias del hierro magnético diseñadas para llevar el flujo normal se saturan, y el flujo comienza a fluir en trayectorias de dispersión no diseñadas para llevarlo. Estos campos resultantes son proporcionales al tensión e inversamente proporcionales a la frecuencia. Por lo tanto, los altos niveles de densidad de flujo (y la sobreexcitación) aparecerán a consecuencia de la sobretensión, de la baja frecuencia o de una combinación de ambos. 1.05 pu (En base del generador) Transformadores 1.05 pu (En base del secundario del transformador) a carga nominal, f.p. de 0.8 ó mayor:1.1 pu (En base del transformador) sin carga. Estos límites se aplican, a menos que otra cosa sea establecida por el fabricante del equipo. Cuando estas relaciones de V/Hz son excedidas, puede ocurrir la saturación del núcleo magnético del generador o transformador conectado, induciéndose flujo de dispersión en componentes no laminados, los cuales no están diseñados para llevar flujo; el daño puede ocurrir en segundos. Es una práctica general el proporcionar relés de V/Hz para proteger generadores y transformadores de estos niveles excesivos de densidad de flujo magnético. Típicamente, esta protección es independiente del control V/Hz en el sistema de excitación. Un sobretensión excesivo en un generador ocurrirá cuando el nivel de esfuerzo del campo eléctrico excede la capacidad del aislamiento del devanado del estator del generador. No puede confiarse en la protección V/Hz para detectar todas las condiciones de sobretensión. Si la sobretensión es resultado de un incremento proporcional en la frecuencia, el relé de V/Hz ignorará TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 1. Sección transversal axial de una turbina de generador mostrando las trayectorias del campo magnético. La figura 1 es una sección transversal axial de un turbogenerador, que muestra los campos magnéticos principal y de dispersión. Los campos magnéticos de dispersión son más dañinos en los extremos del núcleo del generador, donde el campo magnético marginal puede inducir altas corrientes de Eddy en las componentes del ensamble del núcleo sólido y en las laminaciones del extremo del núcleo. Esto da como resultado pérdidas y calentamiento mayores en esas componentes. La figura 2 muestra una construcción típica para el extremo de un núcleo de estator de generador. 34 potencial (TP´s ) son formados inapropiadamente. Un generador nuclear grande falló cuando un TP enchufado inadecuadamente causó que la señal de tensión fuera mucho menor que la tensión real de la máquina. Esta señal fue inicialmente leída por el operador que aplicaba manualmente la excitación al campo. El núcleo falló en menos de un minuto. Esta situación podría también haber ocurrido con un esquema automático si las medidas de seguridad adecuadas no fueron diseñadas en el sistema de protección, o si estas medidas fallaron. Figura 2. Construcción del extremo típico de un núcleo de estator de generador. Figura 3. Flujos de dispersión y corrientes inducidas en los extremos del núcleo. Además de las altas temperaturas, las corrientes de Eddy también causan tensiones interlaminaciones, las cuales podrían degradar aún más el aislamiento. La figura 3 muestra estas trayectorias de corrientes. Si el delgado aislamiento de las laminaciones es roto por las altas temperaturas o tensiones, se tendrán severos daños al hierro. Estas altas temperaturas y tensiones pueden originar daño en cuestión de segundos. Después de que este daño ocurre, el núcleo queda inservible. Aún solos, los niveles normales, de densidad de flujo magnético del núcleo incrementarán la cantidad de puntos quemados y fundidos. El tiempo indisponible del equipo será significativo. El daño es más severo que con la mayoría de las fallas de devanados, y la reparación podría requerir remover el devanado completo y reensamblar una parte del núcleo. El daño debido a la operación con V/Hz excesivos ocurre más frecuentemente cuando la unidad está fuera de línea, antes de la sincronización. La probabilidad de una sobreexcitación del generador se incrementa dramáticamente si los operadores preparan manualmente la unidad para la sincronización, particularmente si las alarmas de sobreexcitación o circuitos inhibidos son inadecuados o si los circuitos de transformadores de TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS También es posible que una unidad esté sujeta a una operación de V/Hz excesivos mientras está sincronizada a la red. Una creencia común es que los sistemas de potencia interconectados en EUA son sistemas de bus infinito y que es virtualmente imposible elevar significativamente las tensiones de las unidades por arriba de la tensión de operación nominal. Esto no es cierto en todas las unidades, y se reconoce que una inadecuada operación de refuerzo total por un regulador de tensión dañado eleva significativamente las tensiones del sistema local. Se pueden desarrollar diferentes escenarios que pueden causar una condición de sobreexcitación cuando la unidad está conectada al sistema: ♦ La pérdida de generación cercana puede afectar la tensión de la red y el flujo de VARs, causando un disturbio que se muestra como una caída de tensión. En un intento de mantener la tensión del sistema, los sistemas de excitación de los generadores restantes pueden tratar de reforzar la tensión terminal a los límites de ajuste del control de excitación, mientras la generación disparada está siendo reconectada. Si ocurre una falla en el control de la excitación en este intervalo, tendrá lugar una sobreexcitación. ♦ Un generador podría estar operando a niveles nominales para alimentar un alto nivel de VARs al sistema. La tensión de la unidad puede aún permanecer cerca de los niveles nominales de la red debido a las interconexiones. Una pérdida súbita de carga o de las interconexiones puede causar que la tensión de la unidad se eleve súbitamente. Ocurrirá un evento de sobreexcitación si los controles de excitación del generador no responden adecuadamente. ♦ La autoexcitación puede ocurrir en generadores debido a la apertura de un interruptor remoto en el sistema cuando la unidad está conectada al sistema a través de líneas de transmisión largas. Si la admitancia de carga en las terminales del generador 35 es mayor que la admitancia de eje en cuadratura 1/Xq, la naturaleza de retroalimentación positiva de la acción de control del regulador de tensión puede causar una rápida elevación de tensión. LÍMITES DE OPERACIÓN DE EQUIPOS Las limitaciones de equipos son una consideración importante en el ajuste de la protección V/Hz para una unidad generadora. Las normas ANSI/IEEE tienen lineamientos sobre límites para V/Hz y sobretensiones excesivas de generadores y transformadores asociados a la unidad, incluyendo transformadores elevadores y transformadores auxiliares de la unidad. Estos son resumidos en la Introducción de esta sección. Cuando se ajusta la protección de sobretensión, algunas normas indican los requerimientos mínimos. Los generadores de rotor cilíndrico deben ser capaces de operar hasta con el 105% de la tensión nominal. Se establecen variaciones similares en la tensión para generadores hidroeléctricos. A los transformadores de potencia se les requiere únicamente que operen hasta el 110% de la tensión nominal a frecuencia nominal, dependiendo de los niveles de carga. El daño a los equipos debido a V/Hz excesivos, es causado principalmente por el sobrecalentamiento de las componentes, el cual depende de la duración del evento. A partir de las relaciones entre los campos de dispersión y el calentamiento, pueden desarrollarse curvas que definen los límites en la magnitud y duración de los eventos de V/Hz. Los fabricantes generalmente proporcionan curvas para sus equipos, que muestran los límites de operación permisible en términos de porciento de V/Hz normales contra tiempo. Las figuras 4A y 4B muestran curvas típicas para un generador y para un transformador de potencia. Al ajustar la protección de V/Hz para una unidad generadora, es importante que las curvas de operación permisibles para los generadores y transformadores sean referidas a una base común de tensión. Esto es necesario debido a que, en algunos casos, la tensión nominal del devanado de baja tensión del transformador elevador es ligeramente menor que la del generador. La relación de vueltas resultante compensa parcialmente la caída de tensión a través del banco debida al flujo de carga. La tensión base usado normalmente es la tensión terminal del generador, puesto que típicamente los TPs usados para la señal de tensión al relé están conectados a la unidad entre el generador y los transformadores TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS elevador y auxiliar de la unidad. La figura 4C muestra las curvas combinadas para el generador y el transformador elevador. El daño a los equipos por sólo tensión excesiva es causado básicamente por ruptura del aislamiento debido a esfuerzo dieléctrico. La sobretensión sin sobreexcitación (V/Hz) puede ocurrir cuando un generador tiene una sobrevelocidad debida a un rechazo de carga, a una falla severa y repentina, o a alguna otra razón; en estos casos no ocurre una sobreexcitación porque la tensión y la frecuencia aumentan en la misma proporción; por tanto, la relación V/Hz permanece constante. Generalmente los fabricantes proporcionan relaciones tensión-tiempo para su equipo, las cuales muestran los límites permisibles de operación. Al ajustar los relés de sobretensión para una unidad generadora, es importante que los límites de operación permisible para el generador y los transformadores sean puestos en una base común de tensión, por las mismas razones que las descritas para los relés de V/Hz. Figura 4 A. Curva típica de límite para la operación de V/Hz para un generador. Figura 4 B. Curva típica de límite para la operación de V/Hz para un transformador de potencia. 36 Figura 4C. Curvas combinadas para la operación V/Hz para generador y transformador elevador (con la curva del transformador elevador puesta en base de la tensión del generador). Figura 6. Característica típica de relé para protección V/Hz, de nivel dual de tiempo definido (Relé A ajustado en 118% V/Hz con retardo de tiempo de 6 segundos. Relé B ajustado en 110% V/Hz con un retardo de tiempo de 60 segundos) ESQUEMAS DE PROTECCIÓN Y CARACTERÍSTICAS Figura 5 A. Característica típica del relé de tiempo definido Figura 5B. Característica típica del relé de tiempo inverso TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Para la protección de V/Hz, existen dos características generales de relés usadas: tiempo definido y tiempo inverso. Las figuras 5A y 5B muestran las características básicas y la zona de protección para cada uno de estos tipos de relés. En los nuevos relés de estado sólido de tiempo inverso, están disponibles dos estilos de ajustes de curva de tiempo inverso: un estilo de relé permite al usuario seleccionar puntos específicos en la curva deseada V/Hz – tiempo, para la aplicación particular del usuario. El otro estilo de relés proporciona conjuntos de curvas V/Hz-tiempo, de las cuales el usuario selecciona la curva específica que se adapte mejor a su aplicación. Existen tres esquemas de protección comúnmente empleados para relés de V/Hz en la industria. Estos esquemas son: nivel simple, tiempo definido; nivel dual, tiempo definido; y tiempo inverso. Una desventaja importante de emplear un esquema de protección que únicamente utiliza relés de tiempo definido es la decisión entre la protección al equipo y la flexibilidad de operación. La figura 6 muestra un esquema posible de protección que usa dos relés de V/Hz en un esquema de tiempo definido de nivel dual. Pueden notarse las áreas no protegidas en las cuales los límites del equipo podrían ser excedidos y las áreas donde las características del relé restringen la operación debajo de los límites del equipo. Por esta razón, los relés de tiempo inverso proporcionan la protección y la flexibilidad de operación óptimas, puesto que coordinan mejor con los límites operacionales del equipo. La figura 7 muestra un 37 esquema típico que usa tanto relés de tiempo inverso como relés de tiempo definido. presión hidráulica en las compuertas de las esclusas. En tales casos, estas unidades pueden sufrir incrementos de velocidad del orden de 150% durante un rechazo total de carga, antes de que la acción del gobernador pueda tener efecto para reducir la velocidad. CONEXIÓN DE LOS SOBRETENSIÓN Figura 7 Protección y flexibilidad de operación óptima, proporcionada con el uso de relés de tiempo inverso y de tiempo definido. (El relé A es de tiempo definido, ajustado a 123% Volts/Hz con un retardo de tiempo de 2 segundos; el relé B es de tiempo inverso). Una investigación reciente sobre protección de generadores encontró que casi todas las unidades mayores de 100 MW tienen protección de V/Hz para el generador. La mayoría de las unidades grandes (cerca del 60%) usan el esquema de nivel dual, de tiempo definido. Las unidades restantes están casi repartidas a partes iguales entre los esquemas de nivel simple, de tiempo definido y de tiempo inverso. Las respuestas para unidades menores a 100 MW, indicó que casi en todas las unidades no se tenía ninguna protección de V/Hz. En los relés de sobretensión, el pickup debe ser ajustado arriba de la máxima tensión de operación normal; el relé puede tener una característica de tiempo inverso o definido para darle oportunidad al regulador de responder a condiciones transitorias antes de que ocurra el disparo. Adicionalmente, puede ser aplicado un elemento instantáneo para sobretensiones muy altas. Es importante que el relé de sobretensión tenga una respuesta plana a la frecuencia, porque pueden presentarse cambios de frecuencia durante el evento de sobretensión. Esto es de particular importancia en instalaciones hidroeléctricas que pueden tener límites en la velocidad de cierre de compuertas, impuesto por la TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS RELÉS DE V/Hz Y DE Muchos relés de V/Hz son dispositivos monofásicos. Los problemas se presentan si la señal de tensión para el relé se toma de un solo TP del generador. Un fusible fundido o una conexión incompleta del circuito cuando se regresan los TPs a su lugar podrían dar como resultado que ninguna tensión sea sensada por el relé de V/Hz, por lo que no habría protección. Para tener una protección redundante y completa, deben usarse TPs en diferentes fases para alarmas múltiples y para funciones del relé. Algunos de los nuevos relés digitales tienen capacidad de alarmar cuando se pierde una o las dos entradas de potencial. Para relés de sobretensión, se aplican las mismas medidas que para relés de V/Hz. FILOSOFÍA DE DISPARO La operación con V/Hz excesivos causará falla del equipo y debe ser tratada como un problema eléctrico severo. Como se recomienda en la “Guía para Protección de Generadores de C.A.” (Guide for AC Generator Protection), se deben abrir los interruptores principal y de campo si la unidad está sincronizada. Para las unidades sin capacidad de rechazo de carga (que son incapaces para rápidamente bajar la potencia y estabilizarse en un punto de no carga), la turbina también debe ser disparada. En el periodo anterior a la sincronización, se deben proporcionar circuitos de alarma e inhibición para evitar que el operador sobreexcite al generador. Para máquinas que operan fuera de línea, la práctica es disparar el interruptor de campo únicamente, y no disparar la turbina. Como el problema es del sistema de excitación, podría ser rápidamente remediado, y la unidad puesta en línea sin tener que ir a todo el proceso de arranque. Esto es particularmente ventajoso en unidades de vapor con tiempos de arranque largos. Dos esquemas de disparo indicados por algunos de los encuestados en la investigación deben ser desalentados 38 y desaprobados: abrir únicamente el interruptor de campo ante una operación del relé de V/Hz y disparar secuencialmente primero la turbina y después el generador. Algunos creen que un evento de V/Hz excesivos es posible únicamente con la unidad fuera de línea, y su lógica de protección tiene al relé de V/Hz que abre únicamente el interruptor de campo para cualquier condición de operación. Si un evento ocurre mientras que la unidad está sincronizada a la red, el interruptor de campo abrirá y la unidad deberá depender de otros dispositivos de protección para ser disparada. REFERENCIAS Tampoco se recomienda el disparo secuencial de la unidad. El disparo secuencial implica un esquema donde el impulsor (usualmente una turbina) es disparado por un dispositivo que responda a algún disturbio, y entonces los interruptores de generador y de campo son disparados por algunos otros dispositivos de protección, como un relé de potencia inversa que responde a la pérdida del impulsor. Los retardos de tiempo inherentes a los esquemas de disparo secuencial son suficientemente largos para causar daño severo al equipo. CONCLUSIONES Los relés de V/Hz y de sobretensión son aplicados en plantas generadoras para alarma y disparo. Aunque superficialmente pueden parecer protecciones muy similares, en realidad no lo son. Es necesario un profundo entendimiento de las causas de los eventos de sobreexcitación y sobretensión para la aplicación y ajuste adecuados de esta protección. Los factores a considerar incluyen cuestiones tales como capacidades de los generadores, capacidades de los transformadores, respuesta del sistema de excitación, respuesta del gobernador, tipo del impulsor, y si la unidad está en línea o fuera de línea para la acción adecuada de disparo. Estos factores han sido detallados en esta sección del tutorial. El daño a los aparatos por sobreexcitación y sobretensión puede ser severo, por lo que esta protección debe ser instalada y aplicada propiamente. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 1. "Impact of HV and EHV Transmission on Generator Protection." IEEE Transactions on Power Delivery. Vol. 8, No. 3. July 1993, pp. 962-974. 2. Baldwin, Elmore, Bonk. "Improved TurbineGenerator Protection for Increased Plant Reliability." IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-99, No. 13, pp. 985-990, May/June 1980. 3. ANSI/IEEE C50.13-1989. "American National Standard for Rotating Electrical MachineryCylindrical Rotor Synchronous Generators." Sections 4.1 and 4.3. 4. ANSI/IEEE C50.12-1982. "American National Standard Requirements for Salient-Pole Synchronous Generators and Generator/Motors for Hydraulic Turbine Applications." Section 3.1. 5. ANSI/IEEE C57.12.00-1987. "Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers." 6. ANSI/IEEE C37.106-1987. "Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants." 7. ANSI/IEEE C37.91-1985. "Guide to Protective Relay Applications to Power Transformers." 8. ANSI/IEEE C37.102-1987. "Guide Generator Protection," Section 4.5.4. for AC 9. Powell, Skoogland, Wagner. "Performance of Excitation Systems Under Abnormal Conditions. "IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-87, No. 2, pp. 546-553, February 1968. 10. Alexander, Corbin, McNutt. "Influence of Design and Operating Practices on Excitation of Generator Step-up Transformers." IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-85, No. 8, pp. 901-909, August 1966. 39 SECCIÓN 7 PÉRDIDA DE SEÑAL DE TRANSFORMADORES DE POTENCIAL RESUMEN La pérdida de señal de TP's puede ocurrir debido a diversas causas. La causa más común es la falla de fusibles. Otras causas pueden ser una falla real del TP o del alambrado, un circuito abierto en el ensamble extraíble, un contacto abierto debido a la corrosión o un fusible fundido debido a un cortocircuito provocado por un desarmador durante mantenimiento en línea. La pérdida de la señal de TP puede causar operación incorrecta o falla de los relés de protección o un desbocamiento del regulador de tensión del generador, llevándolo a una condición de sobreexcitación. En esta parte del Tutorial se identifican esquemas para detectar la pérdida de la señal de tensión. Se requiere algún método de detección, de forma que los disparos de relés afectados sean bloqueados y que el regulador de tensión sea transferido a operación manual. que se dejaría al generador protección primaria. de falla. Detección de falla (Balance de tensión) por operando comparación de sin su tensión El método más común para proporcionar protección por pérdida de la señal de TP’s es un relé de balance de tensiones, el cual compara la tensión secundaria trifásica de los 2 grupos de TP’s. El esquema se muestra en la figura 1. INTRODUCCIÓN En generadores grandes, es práctica común usar dos o más grupos de transformadores de potencial (TP’s) en la zona de protección del generador. Los TP’s están normalmente conectados en estrella a tierra-estrella a tierra, normalmente tienen fusibles secundarios y posiblemente fusibles primarios. Estos TP’s son usados para proporcionar potencial a los relés de protección y al regulador de tensión. Si se funde un fusible en los circuitos de los TPs, las tensiones secundarias aplicadas a los relés y al regulador de tensión serán reducidas en magnitud y desplazadas en ángulo de fase. Este cambio en la señal de tensión puede causar la operación incorrecta de los relés y que el regulador sobreexcite al generador. Típicamente, los esquemas de protección tales como 21, 32, 40 y 51V son afectados y normalmente son bloqueados cuando se pierde potencial. Si los TP's que pierden potencial alimentan al regulador, su control se debe transferir a operación manual, a otro regulador o a otros TPs, lo que sea apropiado para evitar el desbocamiento. Figura 1. Aplicación del relé de balance de tensión Cuando un fusible se funde en el circuito de los TP’s, la relación de tensiones se desbalancea y el relé opera. Además de iniciar las acciones de bloqueo y transferencia previamente descritas, también se activa una alarma. Históricamente, este relé ha sido ajustado alrededor del 15% de desbalance entre tensiones. Un punto importante cuando se analizan los ajustes de este relé es que la corrosión o mal contacto en los elementos removibles de los TP’s pueden provocar una caída de tensión en el circuito lo suficientemente significativa para causar un desbocamiento del regulador (sobreexcitación), pero demasiado pequeña para ser detectada por los relés. Esto se debe a la sensibilidad de los circuitos del regulador automático de tensión. Si el dispositivo de sobrecorriente (51V) es la única protección primaria de la unidad, no debe ser bloqueado por pérdida de la señal de tensión. La razón de esto es TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 40 DETECCIÓN DE FALLA POR COMPONENTES SIMÉTRICAS ANÁLISIS DE Un método moderno usado en la detección de fallas de TP’s hace uso de la relación de tensiones y corrientes de secuencia durante la pérdida de potencial. Cuando se pierde la señal de un TP, las tres tensiones de fase se vuelven desbalanceadas. Debido a este desbalance, se produce una tensión de secuencia negativa. La tensión de secuencia positiva disminuye con la pérdida de la señal de un TP. Para distinguir esta condición de una falla, se verifican las corrientes de secuencia positiva y negativa. Este tipo de detección puede ser usado cuando únicamente se tiene un grupo de TP’s aplicados al sistema del generador. Este método es implementado fácilmente en sistemas de protección de generador basados en microprocesadores digitales. ASPECTOS DE INTERÉS EN LA APLICACIÓN DE TPs. Dos aspectos son analizados en esta sección relativos a la aplicación adecuada de TP’s. Estos son: ♦ Ferrorresonancia y puesta a tierra. ♦ Uso de resistores limitadores de corriente. Con el empleo de TP’s con designación línea a línea pero conectados línea a tierra, el potencial para la ferrorresonancia puede ser reducido. Para suprimir completamente la ferrorresonancia, puede ser necesario aplicar una carga de resistencias a través de cada fase del devanado secundario, suficiente para producir una carga igual a la capacidad térmica del TP. Esta solución puede ser usada durante las condiciones de operación especiales mencionadas arriba. Durante la operación normal, estas cargas resistivas deben ser removidas. 2. Uso de Resistores Limitadores de Corriente Los resistores limitadores de corriente son usados algunas veces en circuitos de TPs alimentados desde buses de fase aislada para asegurar que las capacidades del fusible limitador de corriente no sean excedidas por los niveles de corriente de falla. Han surgido resultados que indican que el usuario debe tomar conciencia sobre la aplicación adecuada de los resistores limitadores de corriente. Se tiene un serio riesgo cuando únicamente un resistor es usado por cada fase con dos o más TP’s aplicados. La figura 2 ilustra este arreglo. 1. Ferrorresonancia y Puesta a tierra de TP’s El fenómeno de ferrorresonancia puede ser creado cuando TP’s estrella-estrella con los primarios puestos a tierra son conectados a un sistema no puesto a tierra. Esta condición puede ocurrir en la zona del generador tanto si el neutro del generador se llega a desconectar o si el generador es eléctricamente desconectado y los TP’s permanecen conectados al devanado en delta del transformador de la unidad. Si una tensión mayor que la normal fuera impuesto a los devanados de TP’s durante la retroalimentación debida a una falla a tierra o a una sobretensión por switcheo en el sistema no puesto a tierra, la probabilidad de ferrorresonancia es aumentada. La tensión mayor requiere que los TP’s operen en la región saturada, lo cual facilita el fenómeno de “salto de corriente” por ferrorresonancia. Estas altas corrientes pueden causar falla térmica de los TP’s en un periodo corto de tiempo. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 2. Un resistor limitador de corriente por fase Cuando el resistor se abre o falla parcialmente, inserta una alta resistencia en el circuito. La consecuencia es que con el resistor abierto, ambos TP’s son mantenidos con señales de tensión cero o reducida. Esta condición haría que el relé de balance de tensión no operara y podría ocurrir que el regulador de tensión automático se desbocara. 41 Los esquemas de vóltmetro con conmutador serían afectados si están conectados a la fase afectada. Un operador podría responder a la tensión reducida durante una puesta en marcha de la unidad, incrementando inapropiadamente el campo hasta el punto de fallar. Esto ha ocurrido en la práctica y ha dado como resultado daño al equipo. Un remedio a este problema es proporcionar un resistor limitador de corriente por cada TP, eliminando así la falla en modo común de ambos circuitos de TP. La figura 3 muestra el arreglo de circuito sugerido para esta solución. Figura 3 Un resistor limitador de corriente por TP Cuando los fabricantes proporcionan este arreglo, los potenciales de las condiciones mencionadas arriba son minimizados y permiten que el relé de balance de tensión opere adecuadamente. El uso de la detección de falla por componentes simétricas proporcionará adecuada detección de falla de TP cuando el arreglo de resistor común es usado para ambos TP’s del generador. CONCLUSIÓN Se requiere alguna forma de detección de pérdida de potencial de los TP’s del generador. Es importante para la seguridad de la protección del generador que los relés dependientes de la señal de tensión sean bloqueados durante esta condición, al igual que la transferencia del control del regulador que dependa de esta señal. En esta sección del Tutorial han sido discutidos dos métodos de detección, al igual que dos aspectos que surgen durante la aplicación de TP’s. Para mayores antecedentes y lineamientos, deben ser consultados la Guía IEEE de Protección de Generadores de CA y otros textos que tratan sobre Protección de Generadores. REFERENCIA 1. ANSI/IEEE Generator C37.102-1992 “Guide por AC Protection”. SECCIÓN 8 TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 42 PROTECCIÓN DE PÉRDIDA DE CAMPO RESUMEN algunos segundos), dependiendo del nivel de salida del generador y de la capacidad del sistema conectado. La pérdida parcial o total de campo de un generador sincrónico es perjudicial tanto al generador y como al sistema de potencia al cual está conectado. La condición debe ser detectada rápidamente y el generador debe ser aislado del sistema para evitarle daños. Una condición de pérdida de campo no detectada puede tener también un impacto devastador sobre el sistema de potencia, causándole una pérdida del soporte de potencia reactiva y creando una toma sustancial de potencia reactiva. En generadores grandes esta condición puede contribuir a, o incluso provocar un colapso de tensión del sistema de una gran área. Esta sección del Tutorial discute las características de la pérdida de campo del generador y los esquemas para proteger al generador contra esta condición. INTRODUCCIÓN Un generador sincrónico requiere tensión y corriente de C.D. adecuadas en su devanado de campo para mantener sincronismo con un sistema de potencia. Existen muchos tipos de excitadores usados en la industria, incluyendo: excitadores de C.D. rotatorios con conmutadores convencionales, grupos de rectificadores rotatorios sin escobillas y excitadores estáticos. La curva de capabilidad del generador (figura 1) proporciona un panorama de las operaciones de la máquina síncrona. Normalmente, el campo del generador es ajustado de tal forma que se entregan potencia real y potencia reactiva al sistema de potencia. Si el sistema de excitación se pierde o es reducido, el generador absorbe potencia reactiva del sistema de potencia en lugar de suministrarla y opera en la región de subexcitación de la curva de capabilidad. Los generadores tienen en esta área una estabilidad baja o reducida. Si ocurre una pérdida total del campo y el sistema puede suministrar suficiente potencia reactiva sin una gran caída de tensión terminal, el generador puede operar como un generador de inducción; si no es así, se perderá el sincronismo. El cambio desde operación normal sobreexcitado a operación subexcitado ante la pérdida de campo no es instantáneo sino que ocurre en un cierto periodo de tiempo (generalmente TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 1. generador Curva de capabilidad del La curva de capabilidad del generador (figura 1) muestra los límites de operación del generador. En la región de operación normal, estos límites son límites térmicos (rotor y estator). En el área de subexcitación, la operación es limitada por el calentamiento del hierro en el extremo del estator. El ajuste del control del regulador es coordinado con el límite de estabilidad de estado estable del generador, el cual es función del generador, de la impedancia del sistema y de la tensión terminal del generador. La referencia 1 proporciona detalles de cómo graficar esta curva. El control de mínima excitación del generador evita que el excitador reduzca el campo por debajo del límite de estabilidad de estado estable. La pérdida parcial o total de campo puede dar como resultado la operación del generador fuera de los límites con subexcitación. La pérdida completa de excitación ocurre cuando la fuente de corriente directa del campo de la máquina es interrumpida. La pérdida de excitación puede ser causada por incidentes como circuito abierto del campo, corto circuito en el campo, disparo accidental del interruptor de campo, falla del sistema de control del regulador, pérdida de campo del excitador principal, pérdida de alimentación de C.A. al sistema de excitación. Cuando un generador sincrónico pierde su excitación, girará a una velocidad mayor a la síncrona y opera como un generador de inducción, entregando potencia real (MW) al sistema, pero al mismo tiempo obteniendo su excitación desde el sistema, convirtiéndose en un gran 43 drenaje de potencia reactiva en el sistema. Este drenaje grande de potencia reactiva causa problemas al generador, a las máquinas adyacentes y al sistema de potencia. El impacto al sistema de la pérdida de campo a un generador depende de la robustez del sistema conectado, de la carga en el generador antes de la pérdida de campo y del tamaño del generador. DAÑO AL GENERADOR Cuando el generador pierde su campo, opera como un generador de inducción, causando que la temperatura en la superficie del rotor se incremente debido a las corrientes de Eddy inducidas por el deslizamiento en el devanado de campo, en el cuerpo del rotor, en las cuñas y anillos de retención. La alta corriente reactiva tomada por el generador del sistema puede sobrecargar el devanado del estator, causando que se incremente su temperatura. El tiempo de daño a la máquina debido a las causas anteriores puede ser tan corto como 10 segundos, o hasta de varios minutos. El tiempo para el daño depende del tipo de máquina, del tipo de pérdida de excitación, de las características del gobernador y de la carga del generador. EFECTOS EN EL SISTEMA DE UNA CONDICIÓN DE PÉRDIDA DE CAMPO Una condición de pérdida de campo que no es detectada rápidamente, puede tener un impacto devastador sobre el sistema de potencia, tanto causando una pérdida del soporte de reactivos y como creando un drenaje sustancial de potencia reactiva en un solo evento. Esta condición puede provocar un colapso de tensión en una gran área si no hay una fuente suficiente de potencia reactiva disponible para satisfacer la demanda de VARs creada por la condición de pérdida de campo. Si el generador que ha sufrido una pérdida de campo no es separado, las líneas de transmisión pueden disparar debido a oscilaciones de potencia o debido a flujo de potencia reactiva excesiva hacia el generador fallado. demostrado que cuando un generador pierde su excitación mientras opera a varios niveles de carga, la variación de la impedancia, como se ve desde las terminales de la máquina, tendrá las características mostradas en el diagrama R-X de la figura 2. Con referencia a la figura 2, la impedancia aparente de una máquina a plena carga se desplazará desde el valor con carga en el primer cuadrante hacia el cuarto cuadrante, cerca del eje X y se establecerá en un valor un poco mayor que la mitad de la reactancia transitoria de eje directo (X’d/2), en aproximadamente 2-7 segundos. El punto de la impedancia final depende de la carga en la máquina antes de la pérdida de excitación, y varía desde X’d/2 a plena carga, hasta alrededor de la reactancia síncrona de eje directo Xd sin carga. La presencia del magnetismo residual en el campo de la máquina, que se presenta después de una condición de pérdida de excitación, puede causar una impedancia aparente mayor que Xd. El lugar geométrico de la trayectoria de la impedancia depende del valor de la impedancia del sistema. Las máquinas conectadas con impedancias de sistema menores aproximadamente al 20% toman una trayectoria directa hacia el punto final, mientras que con impedancias de sistema mayores, la trayectoria será en espiral hacia el punto final. La trayectoria espiral es más rápida que la trayectoria directa. Si la máquina está operando con carga plena antes de la condición de pérdida de excitación, en el punto de impedancia final la máquina estará operando como un generador de inducción, con un deslizamiento del 2-5% arriba de la velocidad normal. La máquina también comenzará a recibir potencia reactiva del sistema, mientras que suministra potencia real reducida. Una impedancia grande del sistema dará como resultado una potencia de salida baja y un alto deslizamiento. CARACTERÍSTICAS DE LA PÉRDIDA DE CAMPO DEL GENERADOR El método más ampliamente aplicado para detectar una pérdida de campo del generador es el uso de relés de distancia para monitorear la variación de la impedancia vista desde las terminales del generador. Ha sido TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 44 Figura 2. Características de pérdida de campo del generador PROTECCIÓN La protección de pérdida de excitación debe detectar confiablemente la condición de pérdida de excitación, sin responder a oscilaciones de carga, a fallas en el sistema y a otros transitorios que no causen que la máquina se haga inestable. Los relés de pérdida de excitación actualmente disponibles proporcionan protección confiable, con baja probabilidad de operación incorrecta ante disturbios en el sistema. Los esquemas de protección basados en la medición de la corriente de campo de la máquina han sido usados para detectar la pérdida de excitación de un generador. La medición de corriente reactiva (o potencia reactiva) hacia del generador también ha sido usada para detectar la condición de pérdida de excitación. Sin embargo, el esquema de protección más popular y confiable para la detección de la pérdida de excitación usa un relé tipo mho con desplazamiento (offset). La característica de operación de un relé tipo mho con desplazamiento de una sola zona se muestra en la figura 3. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 3 Características del relé MhoOffset de una zona El relé es conectado a las terminales de la máquina y alimentado con tensiones y corrientes en terminales. El relé mide la impedancia vista desde las terminales de la máquina y opera cuando la impedancia de la falla cae dentro de la característica circular. El relé está desplazado del origen por la mitad de la reactancia transitoria de eje directo X’d/2, para evitar la operación incorrecta durante disturbios en el sistema y otras condiciones de falla. El diámetro del círculo se ajusta para ser igual a Xd. Puede usarse un retardo de tiempo de 0.5 a 0.6 segundos para tener seguridad contra oscilaciones estables de potencia. Estos ajustes pueden proporcionar protección contra pérdida de excitación del generador desde carga cero hasta plena carga, siempre que la reactancia síncrona de eje directo Xd del generador esté en el rango de 1.0 – 1.2 pu. Las máquinas modernas son diseñadas con valores mayores de reactancia síncrona de eje directo Xd en el rango de 1.5 – 2.0 pu. Con estas reactancias síncronas altas, el ajustar el diámetro del relé mho offset a Xd abriría la posibilidad de operación incorrecta del relé durante la operación subexcitado. Para evitar estas operaciones incorrectas, el diámetro del círculo es limitado a 1.0 pu. (en la base del generador), en lugar de Xd. Este ajuste reducido limitaría la cobertura de protección a condiciones de máquina con alta carga y podría no proporcionar protección para condiciones de carga ligera. 45 Para evitar las limitaciones anteriores, pueden usarse dos relés mho offset como se muestra en la figura 4. El relé con un 1.0 pu (en base del generador) de diámetro de impedancia detectará una condición de pérdida de campo desde plena carga hasta alrededor del 30% de carga, y se ajusta con operación casi instantánea para proporcionar protección rápida para condiciones severas en términos del posible daño a la máquina y efectos adversos sobre el sistema. El segundo relé, con diámetro igual a Xd y un retardo de tiempo de 0.5 – 0.6 segundos proporcionará protección para condiciones de pérdida de excitación hasta cero carga. Las dos unidades mho offset proporcionan protección contra pérdida de excitación para cualquier nivel de carga. Ambas unidades se ajustan con un offset de X’d/2. La figura 4 ilustra este enfoque. Pueden también usarse dos relés en este esquema, con el segundo (mostrado como Z1 en la Figura 5) ajustado con un desplazamiento igual a X’d/2 y con el alcance largo igual a 1.1. veces Xd. En este caso, el relé con el ajuste Z1 deberá disparar sin retardo de tiempo externo, mientras que el otro relé Z2 debe ser retrasado aproximadamente 0.75 segundos para evitar la operación con oscilaciones estables. Figura 5. Protección de pérdida de campo usando una unidad de impedancia y un elemento direccional Figura 4. Características del relé MhoOffset de dos zonas La figura 5 ilustra otro enfoque que es usado en la industria para la protección por pérdida de excitación. Este esquema usa una combinación de una unidad de impedancia, una unidad direccional y una unidad de baja tensión aplicadas a las terminales del generador y ajustadas para “ver hacia dentro” de la máquina. Las unidades de impedancia (Z2) y direccional se ajustan para coordinar con el limitador de mínima excitación del generador y el límite de estabilidad de estado estable. Durante condiciones de excitación anormalmente baja, tal como puede ocurrir a continuación de una falla del limitador de mínima excitación, estas unidades operan una alarma, permitiéndole al operador de la central corregir esta situación. Si también existe una condición de baja tensión, la cual indica una condición de pérdida de campo, la unidad de baja tensión operaría e iniciaría el disparo con un retardo de tiempo de 0.25 – 1.0 segundos. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Cuando se aplica esta protección a generadores hidráulicos, existen otros factores que posiblemente deban ser considerados. Puesto que estos generadores pueden ser operados en ocasiones como condensadores sincrónicos, es posible que los esquemas de pérdida de excitación anteriores operen innecesariamente cuando el generador es operado subexcitado, esto es, tomando VARs cercanos a la capacidad de la máquina. Para evitar operaciones innecesarias, puede emplearse un relé de baja tensión para supervisar los esquemas de protección de distancia. El nivel de “dropout” de este relé de baja tensión podría ajustarse en 90-95% de la tensión nominal y el relé podría ser conectado para bloquear el disparo cuando esté operado (pickup) y permitir el disparo cuando está en condición de “dropout”. Esta combinación proporcionará protección para casi todas las condiciones de pérdida de excitación, pero podría no disparar cuando el generador esté operando a carga ligera, puesto que la reducción de tensión podría no ser suficiente para causar que el relé pase a condición de “dropout”. MODO DE DISPARO 46 La protección de pérdida de campo es normalmente conectada para disparar el interruptor principal del generador y el interruptor de campo, y realizar la transferencia de auxiliares de la unidad. El interruptor de campo es disparado para minimizar el daño al campo del rotor en el caso de que la pérdida de campo sea debida a un corto circuito en el campo del rotor o a un flameo en los anillos deslizantes. Con esta idea, si la pérdida de campo fuese originada por alguna condición que pudiese ser fácilmente remediada, un generador compound en tándem podría ser rápidamente resincronizado al sistema. Esta idea podría no ser aplicable a unidades de caldera, a unidades con crosscompound, o a aquéllas unidades que no puedan transferir suficiente carga de auxiliares para mantener la caldera y los sistemas de combustible. En estos casos, las válvulas de paro de la turbina deben también ser disparadas. REFERENCIAS 1. J.L. Blackbum, "Protective Relaying, Principles and Applications," Marcel Dekker, Inc., 1987. 2. Raju D. Rana, Richard P. Schultz, Michael Heyeck and Theodore R. Boyer, Jr., "Generator Loss of Field Study for AEP's Rockport Plant," IEEE Computer Applications in Power, April 1990, pp. 4449. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 3. H.M. Turanli, R.P. Taylor, M.L. Frazier, "A Novel Technique for Setting Loss of Field Excitation Relays at Generators," 39th Annual Conference for Protective Relay Engineers, Texas A&M University, College Station, Texas, Apr. 14-16, 1986. 4. J. Berdy, "Loss of Excitation Protection for Modern Synchronous Generators," IEEE Transactions, vol. PAS-94, No. 5, Sep/Oct 1975, pp. 1457-1463. 5. C.R. Arndt and M. Rogers, "A Study of Loss-of Excitation Relaying and Stability of a 595 MVA Generator on the Detroit Edison System," IEEE Transactions, vol. PAS-94, No. 5, Sep/Oct 1975, pp. 1449-1456. 6. "Loss-of-Field Relay Operation During System Disturbances," Power System Relaying Committee, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Sep/ October 1975. 7. H.G. Darron, J.L. Koepfinger, J.R. Mather and P. Rusche, "The Influence of Generator Loss of Excitation on Bulk Power System Reliability," IEEE Transactions on Power App. and Systems, Sep/Oct 1974, pp.1473-1478. 8. "Protective Relaying, Theory and Application," ABB Relaying Division, Coral Springs, FL, Marcel Dekker, 1994. 47 SECCIÓN 9 RELÉ DE PROTECCIÓN DE GENERADORES POR PÉRDIDA DE SINCRONISMO Resumen Existen muchas combinaciones de condiciones de operación, fallas y otros disturbios que podrían causar una condición de pérdida de sincronismo entre dos partes de un sistema de potencia o entre dos sistemas interconectados. Si tales eventos ocurren, los generadores asincrónicos deben ser disparados tan pronto como sea posible para prevenir daños al generador o antes de que se produzca una salida mayor. Esta sección del tutorial describe la necesidad de la protección de pérdida de sincronismo de generadores, describe la característica de impedancia de pérdida de sincronismo típica para generadores grandes conectados a sistemas de transmisión de alta tensión (HV) o de extra alta tensión (EHV), y presenta varios esquemas de relés que pueden ser usados para la protección de generadores por pérdida de sincronismo. Introducción Después del famoso apagón del Noreste en 1965, se le dio mucha atención a la necesidad de aplicar la protección por pérdida de sincronismo a generadores. Aunque la protección por pérdida de sincronismo existía para las líneas de transmisión que presentaban pérdida de sincronismo con generadores, existían pocas aplicaciones para cubrir el hueco cuando el centro eléctrico pasa a través del transformador elevador de la unidad y hacia dentro del generador. Este vacío existía debido a que los relés diferenciales y otros relés mho con retardo de tiempo, tales como relés de pérdida de excitación y relés de distancia de respaldo de la unidad, generalmente no pueden operar para una condición de pérdida de sincronismo. También, existía en la industria la creencia de que los relés de pérdida de campo convencionales proporcionaban todos los requerimientos de protección de pérdida de sincronismo para un generador. A lo largo de algunas décadas pasadas, los criterios de comportamiento del sistema se han vuelto más exigentes. Durante el mismo tiempo, las mejoras a los métodos de enfriamiento en el diseño de generadores han permitido mayores capacidades de KVA en TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS volúmenes dados de materiales. Esta tendencia ha reducido las constantes de inercia y ha elevado las reactancias de las máquinas, especialmente en las unidades basadas en capacidades mayores. Además, el empleo de más líneas de transmisión de HV o EHV para transmitir grandes niveles de potencia a grandes distancias, ha causado una reducción en los tiempos de libramiento críticos requeridos para aislar una falla en el sistema cercana a una planta generadora, antes de que el generador se salga de sincronismo con la red de potencia. Adicionalmente a la liberación prolongada de falla, otros factores que pueden llevar a la inestabilidad son: operación de generadores en región adelantada durante periodos de carga ligera, baja tensión del sistema, baja excitación de la unidad, impedancia excesiva entre la unidad y el sistema y algunas operaciones de switcheo de líneas. Efectos en los generadores que operan fuera de sincronismo La condición de pérdida de sincronismo causa altas corrientes y esfuerzos en los devanados del generador y altos niveles de pares transitorios en la flecha. Si la frecuencia de deslizamiento de la unidad con respecto al sistema de potencia se aproxima a una frecuencia torsional natural, los pares pueden ser lo suficientemente grandes para romper la flecha. Por lo tanto, es deseable disparar inmediatamente la unidad, puesto que los niveles de par en la fecha se forman con cada ciclo subsecuente de deslizamiento. Esta formación es el resultado del continuo incremento de la frecuencia de deslizamiento, la cual pasa por la primera frecuencia torsional natural del sistema de la flecha. Los eventos de deslizamiento de los polos pueden también dar como resultado un flujo anormalmente alto en el hierro de los extremos del núcleo del estator, el cual puede llevar a un sobrecalentamiento y acortamiento en los extremos del núcleo del estator. El transformador elevador de la unidad también estará sujeto a muy altas corrientes transitorias en devanados, las cuales imponen grandes esfuerzos mecánicos en sus devanados. 48 Características de la pérdida de sincronismo La mejor forma para visualizar y detectar el fenómeno de pérdida de sincronismo es analizar las variaciones en el tiempo de la impedancia aparente como es vista en las terminales del generador o en las terminales de alta tensión del transformador elevador. Esta trayectoria de la impedancia aparente depende del tipo del gobernador, del sistema de excitación de la unidad y del tipo de disturbio que inició la oscilación. Esta variación en la impedancia puede ser detectada por relés de distancia tipo Mho. Cuando la relación de tensión EA/EB = 1, la trayectoria de impedancia es una línea recta PQ, la cual es el bisector perpendicular de la impedancia total del sistema entre A y B. El ángulo formado por la intersección de las líneas AP y BP sobre la línea PQ es el ángulo de separación δ entre los sistemas. A medida que EA avanza en ángulo delante de EB, la trayectoria de la impedancia se mueve desde el punto P hacia el punto Q y el ángulo δ se incrementa. Cuando la trayectoria intersecta la línea de impedancia total AB, los sistemas están 180° fuera de fase. Este punto es el centro eléctrico del sistema y representa una falla aparente trifásica total en el lugar de la impedancia. A medida que la trayectoria se mueve a la izquierda de la línea de impedancia del sistema, la separación angular se incrementa más allá de 180° y eventualmente los sistemas estarán en fase otra vez. Si los sistemas permanecen juntos, el sistema A puede continuar moviéndose adelante del sistema B y el ciclo completo puede repetirse. Cuando la trayectoria alcanza el punto donde la oscilación inició, un ciclo de deslizamiento ha sido completado. Si el sistema A se hace más lento con respecto al sistema B, la trayectoria de la impedancia se moverá en la dirección opuesta, desde Q hasta P. Cuando la relación de tensión EA/EB es mayor que 1, el centro eléctrico estará arriba del centro de impedancia del sistema (línea PQ). Cuando EA/EB es menor a 1, el centro eléctrico estará abajo del centro de impedancia del sistema. Figura 1. Trayectoria de impedancia de pérdida de sincronismo usando procedimientos gráficos simplificados. Una visualización simple de estas variaciones en la impedancia aparente durante una condición de pérdida de sincronismo es ilustrada en la figura 1. Tres trayectorias de impedancia son graficadas como función de la relación de las tensiones del sistema EA/EB la cual se asume que permanece constante durante la oscilación. Se requieren otras suposiciones varias para lograr esta simplificación: la característica de polos salientes del generador es despreciada; los cambios en la impedancia transitoria debidos a la falla o libramiento de falla se han estabilizado; los efectos de las cargas y capacitancias en derivación son despreciados; los efectos de reguladores y gobernadores son despreciados, y las tensiones EA y EB atrás de las impedancias equivalentes son senoidales y de frecuencia fundamental. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Los centros eléctricos del sistema varían de acuerdo a cómo varía la impedancia del sistema atrás de las terminales de línea y a cómo varían las tensiones internas equivalentes del generador. La velocidad de deslizamiento entre los sistemas depende de los pares de aceleración y de las inercias del sistema. Los estudios de estabilidad transitoria proporcionan el mejor medio para determinar la velocidad del deslizamiento y a dónde irá la trayectoria de la oscilación de potencia en relación a las terminales del generador o a las terminales de alta tensión del transformador elevador de la unidad. Cuando la ubicación de la trayectoria es conocida, se puede seleccionar el mejor esquema de relés para detectar la condición de pérdida de sincronismo. Características generador de pérdida de sincronismo del Hace muchos años, el centro eléctrico durante la ocurrencia de la pérdida de sincronismo estaba en el sistema de transmisión. Así, la trayectoria de la 49 impedancia podía ser detectada con facilidad por los relés de línea o esquemas de relés de pérdida de sincronismo, y el sistema podía ser separado sin la necesidad de disparar generadores. Con la llegada de los sistemas de HV y EHV, de los grandes generadores con conductores enfriados directamente, de los reguladores de tensión de respuesta rápida y de la expansión de sistemas de transmisión, las impedancias de sistema y de generadores han cambiado considerablemente. Las impedancias del generador y el transformador elevador se han incrementado, mientras que las impedancias del sistema han disminuido. Como resultado, el centro de la impedancia del sistema y el centro eléctrico para tales situaciones ocurre en el generador o en el transformador elevador. La figura 2 ilustra la trayectoria de la impedancia de pérdida de sincronismo de un generador tandem, para tres diferentes impedancias del sistema. Las trayectorias fueron determinadas por un estudio en computadora digital. En estas simulaciones, el sistema de excitación y la respuesta del gobernador fueron incluidos, pero el regulador de tensión fue sacado de servicio. Sin la respuesta del regulador de tensión, las tensiones internas de máquina durante el disturbio son bajas; por lo tanto, los centros eléctricos de las oscilaciones están cercanos a la zona del generador. Se consideró que la inestabilidad fue causada por el libramiento prolongado de una falla trifásica en el lado de alta tensión del transformador elevador del generador. Como ilustra la figura 2, el círculo formado por la trayectoria de impedancia se incrementa en diámetro y el centro eléctrico se mueve desde dentro del generador hacia dentro del transformador elevador en la medida en que se incrementa la impedancia del sistema. Las tres características de pérdida de sincronismo pueden usualmente ser detectadas por los esquemas de relés de pérdida de sincronismo que serán discutidos más adelante. Los relés de pérdida de campo son aplicados para la protección de un generador contra una condición de pérdida de campo. Dependiendo de cómo son ajustados y aplicados los relés de distancia mho convencionales usadas para esta protección, podría ser proporcionado algún grado de protección de pérdida de sincronismo para oscilaciones que pasan a través del generador. La figura 3 ilustra un esquema de protección de pérdida de campo de dos relés. Estos relés son aplicados a las terminales del generador y son ajustados para ver hacia dentro de la máquina. La característica mho pequeña no tiene retardo intencional, y así podría sensar y disparar para una oscilación de pérdida de sincronismo que se mantenga el tiempo suficiente dentro de su círculo. La característica mho mayor debe tener un retardo de tiempo para evitar operaciones incorrectas con oscilaciones estables que podrían momentáneamente entrar al círculo; de aquí que, no es probable que pueda detectar una condición de pérdida de sincronismo, puesto que la oscilación no permanecerá dentro del círculo del relé lo suficiente para que el tiempo sea completado. Esta característica de diámetro mayor, usualmente ajustada a la reactancia síncrona de la unidad y con un desplazamiento hacia delante igual a la mitad de la reactancia transitoria de la unidad, es usada frecuentemente para generadores pequeños y menos importantes. Esquemas de relés de pérdida de sincronismo para generadores Los esquemas de relés que pueden ser usados para detectar los eventos de pérdida de sincronismo del generador son esencialmente los mismos que los esquemas de relés usados para detectar las condiciones de pérdida de sincronismo de líneas de transmisión. Los distintos métodos de detección son discutidos adelante. Relés de pérdida de campo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 50 Figura 2. Características de pérdida de SincronismoUnidad Tandem. Esquema de relé Mho simple Un relé de distancia mho trifásico o monofásico puede ser aplicado en las terminales de alta tensión del transformador elevador, para ver hacia dentro del generador y de su transformador elevador. La figura 4 ilustra esta aplicación, en la cual este relé puede detectar las oscilaciones de pérdida de sincronismo que pasen a través del transformador elevador y que traslapen las características de los dos relés mho de pérdida de campo. Las ventajas de este esquema son su simplicidad, su capacidad para proporcionar protección de respaldo para fallas en el transformador elevador y en una parte del generador, su capacidad para detectar energización trifásica inadvertida de la unidad si se ajusta adecuadamente, y el hecho de que el disparo puede ocurrir un buen tiempo antes de que el punto de 180° (punto de máxima corriente y esfuerzo) sea alcanzado. Las desventajas son que, sin supervisión, un círculo característico grande está expuesto a disparos ante oscilaciones estables, y un círculo característico pequeño permitiría el disparo de los interruptores del generador a ángulos grandes, cercanos a 180°, sometiendo así a los interruptores a una tensión de recuperación máximo durante la interrupción. Un esquema de 1 relé de pérdida de sincronismo podría también ser aplicado en las terminales del generador con un desplazamiento inverso hacia el transformador elevador. Sin embargo, para prevenir las operaciones incorrectas para fallas u oscilaciones que aparezcan más allá de las terminales de alta tensión del transformador, el alcance debe quedarse corto de las terminales de alta tensión, o bien el disparo debe ser retardado. La figura 4 ilustra un ejemplo de un esquema de relé mho simple aplicado en las terminales de alta tensión de un transformador elevador de generador. El ángulo de oscilación δ es aproximadamente 112° en el punto donde la impedancia de oscilación entra en el círculo característico mho. La recuperación en este ángulo podría ser posible, pero en la medida en que el círculo mho es ajustado más pequeño para evitar disparos ante oscilaciones estables, ocurrirá un ángulo de disparo menos favorable. Es una práctica usual el supervisar el relé mho con un detector de falla de sobrecorriente de alta rapidez en serie con la trayectoria de disparo del relé mho. Esto minimiza la posibilidad de tener un disparo en falso del interruptor de unidad por una condición de pérdida de potencial. Figura 4. Aplicación de un esquema circular mho. Esquema de una sola visera (blinder) Figura 3 Característica típica del relé de pérdida de campo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Un esquema de una sola visera puede ser aplicado a las terminales de alta tensión del transformador elevador, viendo hacia dentro del generador, o aplicado a las terminales del generador, viendo hacia el sistema. En 51 ambos casos, es comúnmente usado un ajuste de desplazamiento inverso. La figura 5 muestra un esquema de una visera aplicado en el lado de alta tensión del transformador elevador del generador. Los elementos sensores consisten de dos elementos de impedancia llamados viseras, que tienen polaridad opuesta y un relé supervisor. El relé supervisor mho restringe el área de operación a las oscilaciones que pasan a través de, o cercanas al generador y su transformador elevador. Las fallas que ocurran entre las viseras A y B causarán que ambas características operen simultáneamente; así, ningún disparo será iniciado. Para la operación del esquema de visera, debe existir un diferencial de tiempo entre la operación de las dos viseras, de tal forma que la oscilación se origine fuera del relé mho y avance de una visera a la otra en un periodo de unos cuantos ciclos. Para el ejemplo de la figura 5, una impedancia de oscilación por pérdida de sincronismo que llegue a H operará al elemento mho y causará la operación de la visera A. Como la oscilación progresa, atravesará la visera B en F y el elemento B operará. Finalmente, la impedancia de oscilación atravesará al elemento A en G, por lo que el elemento A se repondrá. El circuito de disparo del interruptor es completado cuando la impedancia está en G o después de la reposición de la unidad supervisora, dependiendo del esquema específico usado. El ajuste del alcance de la unidad de visera controla la impedancia NF y NG; de aquí, el ángulo DFC puede ser controlado para permitir que el interruptor abra en un ángulo más favorable para la interrupción del arco. Las ventajas del esquema de visera sobre el esquema mho pueden verse comparando las figuras 4 y 6. A medida que el diámetro del círculo mho en la figura 4 es incrementado para proporcionar mejor sensibilidad para oscilaciones por pérdida de sincronismo en el generador, es posible que puedan ocurrir disparos indeseados para la oscilación recuperable indicada en la figura 6; sin embargo, la adición de las viseras podría prevenir dicho disparo. El esquema de visera también permitirá el disparo del generador únicamente cuando la interrupción sea en un ángulo favorable. Las simulaciones de estabilidad transitoria en computadora son requeridas para proporcionar el tiempo de la oscilación para los ajustes de impedancia adecuados de la visera. Figura 5. Esquema de visera. Si la oscilación de pérdida de sincronismo pasa a través de las líneas de transmisión cercanas a la central generadora y los relés de línea no son bloqueados por los relés 68 de pérdida de sincronismo, las líneas podrían ser disparadas antes de que los relés de pérdida de sincronismo de la unidad operen; por ello, podrían perderse las líneas de la central generadora. Figura 6. Esquema visera para un caso estable e inestable. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 52 Esquemas de doble lente y doble visera Los esquemas de doble lente y doble visera operan de manera similar al esquema de una visera. Como en el esquema de una visera, el esquema de doble visera requiere el uso de un elemento mho supervisor por seguridad. Con referencia a las figuras 7 y 8, el elemento exterior opera cuando la impedancia de la oscilación entra a su característica en F. El elemento mho en el esquema de doble visera operará antes que el elemento de visera exterior. Si la impedancia de oscilación permanece entre las características de los elementos exterior e interior por un tiempo mayor al preestablecido, es reconocida como una condición de pérdida de sincronismo en los circuitos de la lógica. A medida que la impedancia de la oscilación entra al elemento interior, los circuitos de la lógica se sellan. Mientras la impedancia de la oscilación abandona el elemento interior, su tiempo de viaje debe exceder un tiempo preestablecido antes de que alcance el elemento exterior. El disparo no ocurre hasta que la impedancia de la oscilación se pase de la característica exterior, o, en el caso del esquema de doble visera, hasta que el elemento supervisor mho se restablezca, dependiendo de la lógica usada. El ángulo DFC puede ser controlado ajustando los elementos exteriores para limitar la tensión a través de los polos abiertos del interruptor del generador. Una vez que la oscilación ha sido detectada y que la impedancia de oscilación ha entrado al elemento interior, puede salir de los elementos interior y exterior en cualquier dirección y el disparo será efectuado. Por lo tanto, los ajustes del elemento interior deben ser tales que respondan únicamente a oscilaciones de las cuales el sistema no pueda recuperarse. El esquema de una visera no tiene esta restricción, y por esta razón, para la protección del generador es una mejor elección que cualquiera de los otros esquemas. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 7 Esquema de doble lente Esquema de círculo concéntrico El esquema de círculo concéntrico usa dos relés mho. Este esquema opera esencialmente igual que el esquema de doble lente. Cuando se emplea el esquema de círculo concéntrico, el círculo interior debe ser ajustado de manera que responda únicamente a oscilaciones no recuperables. 53 Los esquemas de protección por pérdida de sincronismo deben operar para disparar sólo el o los interruptores del generador si la unidad generadora es capaz de soportar un rechazo de carga y alimentar sólo sus propios auxiliares. El disparar únicamente el interruptor(es) del generador permite al generador ser resincronizado al sistema una vez que el sistema se haya estabilizado. Estabilidad del sistema Figura 8 Esquema de doble visera. Aplicación de un relé mho para la protección de pérdida de sincronismo de varias unidades Por economía, un esquema de protección de pérdida de sincronismo es usado para proteger más de una unidad generadora cuando comparten un transformador elevador y/o una línea de transmisión comunes. Para propósitos de discusión, considérese que tres unidades idénticas comparten un transformador elevador común. Si las tres unidades están generando con igual excitación, la trayectoria de la oscilación pasará más cerca de las terminales de los generadores que la que se tendría con únicamente un generador en línea. Esto es debido a las impedancias combinadas de los generadores en línea, que son aproximadamente 1/3 de la impedancia de un generador en línea. Sin embargo, para proteger el caso en que sólo un generador está en línea, el relé mho deberá tener un mayor ajuste del diámetro. Por ello, un esquema de un solo relé mho puede estar expuesto a disparar con una oscilación estable. Este tipo de aplicación puede ser efectuada seguramente con uno de los esquemas de viseras previamente descritos. Modo de disparo por pérdida de sincronismo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS La confiabilidad del sistema depende de la capacidad de las unidades generadoras para permanecer en sincronismo con el sistema de transmisión después de fallas severas o disturbios transitorios. La estabilidad puede ser alcanzada cuando la potencia de aceleración producida durante una falla es balanceada por potencia posterior de desaceleración suficiente para regresar a la unidad a la velocidad síncrona. El tiempo máximo desde la iniciación de la falla hasta su aislamiento en un sistema de potencia para que el sistema de potencia se mantenga estable es el tiempo de libramiento crítico del sistema. Ayudas a la estabilidad Varias técnicas de control de estabilidad pueden ser requeridas para lograr la estabilidad del sistema. Enseguida se enumeran algunas formas frecuentemente empleadas de ayudar a la estabilidad. Técnicas de libramiento más rápido de fallas 1. Esquemas de falla de interruptor de alta rapidez.- Proporcionan un rápido libramiento de la falla con el disparo de los interruptores de respaldo. 2. Sistema piloto de protección.- Proporciona rápido libramiento de ambos extremos de una línea, sin importar el lugar de la falla en la línea, reduciendo así el tiempo de aceleración del ángulo del rotor. 3. Relés de actuación rápida dual.- Proporcionan libramiento redundante de alta rapidez de fallas cuando un relé o sistema de relés falla en operar. 4. Interruptores de libramiento rápido.Proporcionan una más rápida remoción de la falla, lo que significa tiempos reducidos de aceleración del ángulo del rotor. 54 5. Disparo transferido por falla de interruptor del bus remoto.- Utiliza un canal de comunicación para acelerar el libramiento de la falla en las terminales de línea de la planta generadora, si falla el interruptor(es) del extremo remoto de la línea para librar una falla en el bus remoto, reduciendo así el tiempo de aceleración del ángulo del rotor. Técnicas de aplicación de interruptores de fase independiente 1. 2. Disparo monopolar.- Utiliza relés que pueden detectar fallas en cada fase y dispara únicamente la fase fallada, manteniendo así una parte de la capacidad de transferencia de potencia y mejorando la estabilidad del sistema hasta el recierre exitoso de la fase fallada. Interruptor de polos independientes.- Reduce una falla de fases múltiples a una falla monofásica menos severa si al menos dos de las tres fases abren, puesto que cada fase del interruptor opera independientemente. 3. Técnicas de excitación de alta rapidez 1. 2. Técnicas de transferencia incrementada de potencia 1. 2. 3. 4. Líneas de transmisión adicionales.- Disminuye la impedancia del sistema en la planta, resultando así un incremento de la capacidad de transferencia de potencia de los generadores de la planta. Reactancia reducida del transformador elevador del generador.- Proporciona al generador mayor capacidad de transferencia de potencia. Compensación de líneas de transmisión con capacitores serie.Reduce la impedancia aparente de la línea, incrementando así la capacidad de transferencia de potencia de los generadores de la planta. Recierre de alta rapidez de líneas de transmisión.- Proporciona una más rápida reenergización de las líneas y, si el recierre es exitoso, mejora la capacidad de transferencia de potencia de los generadores de la planta. Técnicas de disparo por pérdida de sincronismo 1. 2. Disparo por pérdida de sincronismo de la unidad.Utiliza un esquema específico de protección de pérdida de sincronismo para sensar la pérdida de sincronismo y disparar la unidad, para eliminar su influencia negativa sobre el sistema. Disparo por pérdida de sincronismo del sistema.- Utiliza un esquema específico de protección de pérdida de sincronismo para TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS detectar que un sistema o área está perdiendo sincronismo con otro, y dispara para separar los dos sistemas para así evitar que la inestabilidad de un sistema se repita en el otro. Esquema de protección especial.- Proporciona un esquema de disparo especial que puede requerir que una unidad sea disparada simultáneamente ante la pérdida de una línea crítica o ante la falla de un interruptor crítico para evitar que la unidad se vuelva inestable. Sistemas de excitación de alta respuesta.Logra con mayor rapidez una tensión de excitación mayor, para incrementar la capacidad de salida de potencia de la unidad inmediatamente después de una condición de falla en el sistema para mejorar la estabilidad por desaceleración del rotor. Estabilizador del sistema de potencia.Proporciona señales complementarias para disminuir o cancelar el efecto de antiamortiguamiento del control del regulador de tensión durante disturbios severos en el sistema. Otras técnicas de alta velocidad 1. 2. Frenado dinámico.- Coloca una carga resistiva switcheada momentánea directamente en el sistema de potencia de la planta para ayudar a desacelerar al rotor de la unidad durante una falla cercana en el sistema. Operación rápida de Válvulas de turbina.- Inicia el cierre rápido de válvulas de intercepción para permitir la reducción momentánea o sostenida de la potencia mecánica de la turbina, lo cual reduce la salida de potencia eléctrica del generador. El beneficio de la operación rápida de válvulas de la turbina, cuando es aplicable, puede ser un incremento en el tiempo de libramiento crítico. Excepto la operación rápida de Válvulas, las técnicas anteriores son implementadas para alterar la potencia eléctrica del generador de tal forma que las unidades generadoras puedan recuperarse de disturbios serios. Conclusiones Este documento ha proporcionado los lineamientos generales sobre la aplicación de los relés de pérdida 55 especialmente si se usa algún retardo de tiempo intencional. de sincronismo para generadores. Esta protección debe ser proporcionada a cualquier generador si el centro eléctrico de la oscilación pasa a través de la región desde las terminales de alta tensión del transformador elevador hacia dentro del generador. Esta condición tiende a ocurrir en un sistema relativamente justo o si una condición de baja excitación existe en el generador. La protección de pérdida de sincronismo de la unidad debe también ser usada si el centro eléctrico está fuera en el sistema y los relés del sistema son bloqueados o no son capaces de detectar la condición de pérdida de sincronismo. Las condiciones de pérdida de sincronismo pueden ser detectadas de la manera más simple por un relé de distancia tipo mho orientado para ver hacia dentro del generador y de su transformador elevador. Sus principales desventajas son el estar sujeto a disparo con oscilaciones recuperables y podría enviar la orden de interrupción al interruptor del generador en un ángulo de oscilación desfavorable. Los esquemas más sofisticados como los del tipo visera y tipo lente minimizan la probabilidad de disparar con oscilaciones recuperables y permiten el disparo controlado del interruptor de generador a un mejor ángulo de oscilación. Los relés de pérdida de campo convencionales ofrecen una protección limitada contra pérdida de sincronismo para oscilaciones que se ubiquen bien dentro de la impedancia del generador, TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Los datos presentados en este documento son los resultados de estudios generalizados; no consideran los efectos de todos los tipos de diseño de generadores y parámetros del sistema, o los efectos de interacción de otros generadores. Se recomienda que el usuario determine la trayectoria real de la impedancia de pérdida de sincronismo usando programas de estabilidad transitoria en programas de computadora. Referencias 1. IEEE Committee Report, “Out of Step Relaying for Generators”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 96 pp 1556-1564, September/October 1977. 2. Working Group of IEEE PSRC, Report 92 SM 383-0 PWRD, “Impact of HV and EHV Transmission on Generator Protection”, presented at IEEE/PES 1992 Summer Meeting, Seattle, Washington, July 12-16, 1992. 3. Berdy, J., “Out-of-Step Protection for Generators”, presented at Georgia Institute of Technology Protective Relay Conference, May 6-7, 1976. 4. “IEEE Guide for AC Generator ANSI/IEEE C37.102-1986. Protection”, 56 SECCIÓN 10 PROTECCIÓN DE DESBALANCE DE CORRIENTE (SECUENCIA NEGATIVA) RESUMEN Existen numerosas condiciones del sistema que pueden causar corrientes trifásicas desbalanceadas en un generador. Estas condiciones del sistema producen componentes de corriente de secuencia de fase negativa la cual induce una corriente de doble frecuencia en la superficie del rotor. Estas corrientes en el rotor pueden causar altas y dañinas temperaturas en muy corto tiempo. Es práctica común proporcionar al generador protección para condiciones de desbalance externo que podrían dañar a la máquina. Esta protección consiste de un relé de sobrecorriente de tiempo el cual responde a la corriente de secuencia negativa. Dos tipos de relés de están disponibles para esta protección: Un relé de sobrecorriente de tiempo electromecánico con una característica extremadamente inversa y un relé estático o digital con una característica de sobrecorriente de tiempo, la cual se iguala con las capacidades de corriente de secuencia negativa del generador. INTRODUCCIÓN El relé de secuencia negativa se usa para proteger a los generadores del calentamiento excesivo en el rotor resultante de las corrientes desbalanceadas en el estator. De acuerdo a la representación de las componentes simétricas de las condiciones del sistema desbalanceado, las corrientes en el estator del generador pueden ser descompuestas en componentes de secuencia positiva, negativa y cero. La componente de secuencia negativa de las corrientes desbalanceadas induce una corriente superficial de doble frecuencia en el rotor que fluye a través de los anillos de retención, los slot de las cuñas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor pueden causar temperaturas altamente dañinas en muy corto tiempo. Existe un número de fuentes de corrientes trifásicas desbalanceadas a un generador. Las causas más comunes son las asimetrías del sistema (transformadores elevadores monofásicos con impedancias diferentes o líneas de transmisión no transpuestas), cargas TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS desbalanceadas, fallas desbalanceadas en el sistema, y circuitos abiertos. La mayor fuente de corriente de secuencia negativa es la falla fase a fase en el generador. Note que en generadores con transformadores elevadores conectados en deltaestrella, una falla fase a tierra en el sistema sobre el lado de la estrella en alta tensión es vista por el generador como una falla fase-fase. La falla fase a tierra del generador no crea tanta corriente de secuencia negativa para las mismas condiciones como la falla fase-fase. La condición de conductor abierto produce bajos niveles de corriente de secuencia negativa relativa a los niveles producidos por las fallas fase-fase o fase a tierra. Si la condición de conductor abierto no es detectada representa una seria amenaza al generador puesto que la corriente de secuencia negativa producirá un calentamiento excesivo del rotor, aún a niveles bajos de la corriente de carga. DAÑO AL NEGATIVA. GENERADOR POR SECUENCIA Para condiciones de sistema balanceado con flujo de corriente de secuencia positiva únicamente, un flujo en el aire gira en la misma dirección y en sincronismo con el devanado de campo sobre el rotor. Durante condiciones desbalanceadas, se produce la corriente de secuencia negativa. La corriente de secuencia negativa gira en la dirección opuesta a la del rotor. El flujo producido por esta corriente visto por el rotor tiene una frecuencia de dos veces la velocidad síncrona como resultado de la rotación inversa combinada con la rotación positiva del rotor. El efecto piel de la corriente de doble frecuencia en el rotor causa esfuerzos en los elementos superficiales del rotor. La figura 1 muestra la forma general del rotor. Las bobinas del rotor son sujetadas al cuerpo del rotor por cuñas de metal las cuales son forzadas hacia las ranuras en los dientes del rotor. Los extremos de las bobinas son soportadas contra fuerzas centrífugas por anillos de retención de acero los cuales están fijados alrededor del 57 cuerpo del rotor. El efecto piel causa que las corrientes de doble frecuencia sean concentradas en la superficie de la cara del polo y dientes. Las ranuras del rotor y las pistas metálicas debajo de las ranuras, las cuales son localizados cerca de la superficie del rotor, conducen la corriente de alta frecuencia. Esta corriente fluye a lo largo de la superficie hacia los anillos de retención. La corriente entonces fluye a través del contacto metal a metal a los anillos de retención al rotor y ranuras. Debido al efecto piel, únicamente una pequeña parte de esta corriente de alta frecuencia fluye en los devanados de campo. y la elevación de temperatura del rotor sobre un intervalo de tiempo es cercanamente proporcional a I22t donde I2 es la corriente de secuencia negativa del estator y t es el intervalo de tiempo en segundos. El siguiente método fue desarrollado basado en el concepto de limitar la temperatura a las componentes del rotor abajo del nivel de daño. El límite está basado en la siguiente ecuación para un generador dado: K = I22 t K = Constante dependiente del diseño y capacidad del generador. T= Tiempo en segundos. I2 = Valor rms de corriente de secuencia negativa. Figura 1. Corrientes en la superficie del rotor El calentamiento por secuencia negativa más allá de los límites del rotor resulta en dos modos de falla. Primero, las ranuras son sobrecalentadas al punto donde ellas se recosen lo suficiente para romperse. Segundo, el calentamiento puede causar que los anillos de retención se expandan y floten libres del cuerpo del rotor lo que resulta en arqueos en los soportes. En máquinas pequeñas, la falla ocurre primero en los soportes y en máquinas grandes, la ruptura de las ranuras después de que han sido recocidas por sobrecalentamiento ocurre primero. Ambos modos de falla dan como resultado un significante tiempo fuera del equipo por reparaciones al cuerpo del rotor. CALENTAMIENTO DEL SECUENCIA NEGATIVA GENERADOR POR El calentamiento por secuencia negativa en generadores sincrónicos es un proceso bien definido el cual produce límites específicos para operación desbalanceada. Excepto para pérdidas de estator pequeño, las pérdidas debido a la corriente de secuencia negativa aparecerán en el rotor de la máquina. La energía de entrada al rotor TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS El valor limitador K es determinado colocando sensores de temperatura en el rotor del generador a lo largo de la trayectoria de la corriente de secuencia negativa mientras se suministra corriente negativa al estator. Este monitoreo ha sido usado para determinar el límite de las corrientes de secuencia negativa que el rotor puede aguantar. El valor de K es proporcionado por el fabricante del generador para cada unidad específica de acuerdo con ANSI C50.13. CAPACIDAD GENERADOR DE SECUENCIA NEGATIVA DEL La capacidad de corriente desbalanceada continua de un generador está definida en ANSIC50.13. Un generador deberá ser capaz de soportar sin daño, los efectos de una corriente desbalanceada continua correspondiente a una corriente de secuencia de fase negativa I2 de los valores siguientes, previendo que los kVA nominales no sean excedidos y la corriente máxima no excede el 105% de la corriente nominal en cualquier fase. Estos valores también expresan la capacidad de corriente de secuencia de fase negativa a capacidades kVA del generador reducidas. La capacidad de secuencia negativa de corto tiempo (falla desbalanceada) de un generador es también definida en ANSIC50.13. 58 I2 PERMISIBLE (Porcentaje dela capacidad del estator) TIPO DEL GENERADOR Polos Salientes • Con devanados de amortiguamiento Conectado 10 • Con devanado de amortiguamiento No Conectado 5 • Enfriado indirectamente Enfriado directamente a 960 MVA a 1200 MVA 1201 a 1500 MVA CARACTERISTICAS NEGATIVA. DEL RELÉ 10 8 6 5 DE SECUENCIA Con las capacidades de desbalance de corriente del generador definida por la corriente de secuencia negativa medida en el estator, un relé de sobrecorriente de tiempo de secuencia negativa puede ser usado para proteger al generador. Estos relés consisten de un circuito de segregación de secuencia negativa alimentado por las componentes de fase y/o residual, las cuales controlan una función de relé de sobrecorriente de tiempo. Las características de sobrecorriente de tiempo están diseñadas para igualar tan cerca como sea posible las características I22 capabilidad I22t del generador. La figura 4 muestra las características típicas de los dos tipos de relés. La principal diferencia entre dos tipos de relés es su sensibilidad. El relé electromecánico puede ser ajustado en un pickup de alrededor de 0.6 a 0.7 pu. de la corriente de plena carga. El relé estático o digital tiene un rango de pickup de 0.3 a 0.2 pu. Un ejemplo, para un generador enfriado directamente de 800 MVA con un factor K de 10, el generador podría manejar 0.6 pu. de corriente de secuencia negativa por aproximadamente 28 segundos. Rotor Cilíndrico • • • inverso típica y un relé estático o digital que usa una característica la cual se iguala con las curvas de La protección para corrientes de secuencia negativa debajo de 0.6 pu. podría no ser detectada con un relé electromecánico. Dado los bajos valores de secuencia negativa para desbalances de circuito abierto y también bajos valores por fallas libradas con mucho tiempo, el relé estático o digital es mucho mejor para cubrir totalmente la capacidad continua del generador. del generador. La figura 3 muestra una aplicación del relé se secuencia negativa típica. TIPO DE GENERADOR Figura 2. Capacidad de corriente de desbalance de corto tiempo de generadores K I2²t permisible Generador de Polo Saliente Condensador Sincrónico 40 30 Tiempo del generador de rotor cilíndrico • • • Enfriado indirectamente Enfriado directamente (0-800 MVA) Enfriado directamente (801-1600 MVA) 20 10 Ver curva de la figura 2 Dos tipos de relés son ampliamente usados. El relé electromecánico el cual usa una característica de tiempo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 3. Relé de sobrecorriente de tiempo de secuencia negativa Puesto que el operador puede en muchos casos reducir la corriente de secuencia negativa causada por condiciones desbalanceadas (reduciendo la carga del generador por ejemplo), es ventajoso proporcionar la indicación de 59 cuando la capacidad continua de la máquina es excedida. Algunos relés pueden estar provistos con unidades de alarma (I2 rango de pickup 0.03 – 0.2 pu.) y algunos tipos de relés estáticos o digitales proporcionan una medición de I2 para indicar el nivel de corriente de secuencia negativa. de un transformador elevador de unidad (de corrientes geomagnéticas) o cargas no lineales no es proporcionada por relés de secuencia negativa estándar. Se puede requerir protección adicional para proporcionar protección para armónicas de secuencia negativa debido a la dependencia de la frecuencia de los relés de secuencia negativa. ESQUEMAS NEGATIVA. Figura 4 A DE PROTECCIÓN DE SECUENCIA Relés de secuencia negativa dedicados son usualmente proporcionados para protección de generadores. En general, no son proporcionados relés de respaldo para secuencia negativa. Alguna protección limitada es proporcionada por la protección fase a fase y fase a tierra para condiciones de falla. Para conductor abierto o protección para desbalance de impedancia, el relé de secuencia negativa es usualmente la única protección. La magnitud de corrientes de secuencia negativa creada por las condiciones de conductor abierto y bajas magnitudes de falla combinada con la capacidad de secuencia negativa continua del generador previene a otros relés de falla de proporcionar protección de secuencia negativa total. Para relés electromecánicos, el pickup mínimo de la unidad de tiempo puede ser ajustado a 60% de la corriente nominal. Esto proporciona únicamente protección limitada para condiciones de desbalance serie, tales como una fase abierta cuando el relé electromecánico es usado para constantes de generador (K) menores de 30. Figura 4 B A) Curvas tiempo-corriente típicas para un relé de secuencia negativa electromecánico. B) Características de un relé tiempo-corriente de secuencia negativa estático o digital. Se ha demostrado que la protección contra armónicas de secuencia negativa de tales fuentes como la saturación TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Las unidades de tiempo del relé estático o digital puede ser ajustado para proteger generadores con valor de K de 10 ó menos. Un ajuste de alarma asociado con estos relés puede proporcionar detección para corriente de secuencia negativa abajo del 3% de la capacidad de la máquina. Con este tipo de relé, el pickup de disparo puede ser ajustado a la capacidad de secuencia negativa continua del generador operando a plena carga y proporcionando protección para desbalance total. CONCLUSIONES Se necesita aplicar protección separada a generadores para proteger al generador contra calentamiento destructivo de corrientes de desbalance de secuencia 60 negativa. Los relés de secuencia negativa electromecánicos proporcionan únicamente protección limitada. Estos relés carecen de sensibilidad para detectar corrientes de secuencia negativa dañinas resultantes de desbalance por circuito abierto, así como para fallas de bajo nivel. Para dar protección completa abajo de la capacidad continua del generador, deben usarse relés de secuencia negativa estáticos o digitales. 5. Pollard, E.I., "Effects of Negative-Sequence Currents on Turbine-Generator Rotors," AIEE Transactions, Vol. 72, Part III, 1953, pp. 404-406. 6. Morris, W.C., and Goff, LE., "A Negative-Phase Sequence-Overcurrent Relay for Generator Protection," AIEE Transactions, Vol. 72, PW III, 1953, pp. 615-618. 7. Graham, DJ. Brown, P.G., and Winchester, R.L., "Generator Protection With a New Static Negative Sequence Relay," IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS-94, No. 4, JulyAugust 1975, pp. 1208-1213. 8. Symmetrical Components, C.F. Wagner and R.D. Evans, McGraw-HilI Book Company, Inc., New York, NY, 1933. Chapter 5, pp 91-96. 9. Gisb, W.B., Ferro, W.E., and Rockefeller, G.D., "Rotor Heating Effects From Geomagnetic Induced Currents," Presented to the IEEE/PES 1993 Summer Meeting, Vancouver, B.C., Canada, July 18-22,1993. 93 SM 378-0 PWRD. 10. Bozoki, B., "Protective Relaying Implication of Geomagnetic Disturbances," Canadian Electrical Association, Power System Planning & Operations, May 1991, Toronto, Ontario, Canada. REFERENCIA 1. ANSI-IIEEE C37.102-1987, Generator Protection." "Guide for AC 2. "A Survey of Generator Back-up Protection Practices," IEEE Committee Report, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 5, No. 2, April 1990, pp 575-584. 3. Barkle, J.E. and Glassburn, W.E., "Protection of Generators Against Unbalanced Currents," AIEE Transactions, Vol. 72, Part III, 1953, pp. 282-286. 4. Ross, M.D. and King, E.I., "Turbine-Generator Rotor Heating During Single-Phase Short Circuits," AIEE Transactions, Vol. 72, Part III, 1953, pp 40-45. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 61 SECCIÓN 11 PROTECCIÓN DE RESPALDO DEL SISTEMA RESUMEN La protección de respaldo del sistema como es aplicada a la protección del generador, consiste de relés con retardo de tiempo para detectar fallas en el sistema que no han sido adecuadamente aisladas por los relés de protección primaria, requiriendo el disparo del generador. Esta sección cubre los tipos básicos de protección de respaldo que son ampliamente usados para generadores sincrónicos. Los tipos de relés de protección usados, sus propósitos y consideraciones de ajuste son discutidos, así como las consecuencias de no tener esta protección instalada. INTRODUCCIÓN La protección de respaldo del sistema como es aplicada a la protección de generadores consiste de protección con retardo de tiempo para condiciones de falla línea a tierra y multifase. Los esquemas de protección de respaldo del generador son usados para proteger contra fallas del sistema de protección primaria y unas fallas en el sistema librada con mucho tiempo. El objetivo en este tipo de esquemas de relés es la seguridad. Puesto que estas condiciones son el sistema de potencia, los ajustes de los relés para respaldo deben ser lo suficientemente sensitivos para detectar las mismas. Los ajustes oscilan entre sensibilidad y seguridad del generador. Figura 1A. Aplicación de relés de respaldo de sistema-arreglo unitario generadortransformador TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 1B. Aplicación de relés de respaldo de sistemagenerador conectado directamente al sistema La figura 1 muestra los tipos básicos de protección de respaldo usados en generadores sincrónicos conectados en unidad o directamente conectados. La protección de respaldo es generalmente dividida en protección de respaldo para fallas entre fases y protección de respaldo para fallas a tierra. La protección para fallas entre fases es dada por los relés 21, 51 ó 51V. La protección de falla a tierra es dada por el relé 51N conectado en el neutro del lado de alta tensión del transformador elevador. El relé de secuencia negativa 46 proporciona protección para fallas a tierra y de desbalance de fases, pero no para fallas trifásicas balanceadas. PROTECCIÓN DE FALLA ENTRE FASES. Como se muestra en la figura 1, los transformadores de corriente para protección de fallas entre fases son normalmente del lado neutro del generador para proporcionar protección adicional de respaldo para el generador. Los transformadores de potencial son conectados de lado bus del generador. La protección de respaldo es con retardo de tiempo para asegurar la coordinación con los relés primarios del sistema. La protección de respaldo de fase se proporciona normalmente por dos tipos de relés: sobrecorriente y distancia. La protección de respaldo de sobrecorriente es usada cuando las líneas son protegidas con relés de sobrecorriente, y la protección de distancia se utiliza cuando las líneas son protegidas con relés de distancia de fase. Los relés de respaldo de sobrecorriente son difíciles de coordinar con relés de distancia de línea, debido a los cambios en el tiempo de disparo para relés de sobrecorriente para diferentes condiciones del sistema. 62 Los relés de respaldo de fase (51V y 21) deben ser supervisados por un relé de balance de tensión para prevenir disparo en falso por pérdida de potencial o circuito abierto de la bobina de potencial. Cuando estos relés se aplican como disparo primario para unidades pequeñas, ellos deben diseñarse para disparar sobre la pérdida de potencial. Esto se hace normalmente usando un relé de balance de tensión para comparar la salida de dos grupos de transformadores de potencial conectados a las terminales del generador. La protección de respaldo para fallas de fase también proporciona protección de respaldo para el generador y el transformador elevador antes de que el generador sea sincronizado al sistema. Una nota general, las corrientes de falla del generador pueden decaer rápidamente durante condiciones de baja tensión creadas por una falla cercana. En estas aplicaciones, la curva de decremento de la corriente de falla para el generador/excitador debe ser revisada cuidadosamente para las constantes de tiempo y corrientes. RESPALDO DE SOBRECORRIENTE DE FASE El tipo más simple de protección de respaldo es el relé de sobrecorriente 51. El relé 51 debe ser ajustado arriba de la corriente de carga y tener suficiente retardo de tiempo para permitir las oscilaciones del generador. Al mismo tiempo, debe ser ajustado lo suficientemente bajo para disparar con falla de fases remota para varias condiciones del sistema. En muchos casos, el criterio de ajuste confiable no puede cumplirse sobre un sistema real. Las más recientes investigaciones de las prácticas de respaldo del generador encuentran mínimas aplicaciones del respaldo de sobrecorriente (51). El ajuste de pickup de este tipo de relé deber ser normalmente de 1.5 a 2.0 veces la corriente nominal máxima del generador para prevenir disparos en falso. Los requerimientos de coordinación usualmente causan que el retardo de tiempo exceda de 0.5 segundos. Puesto que la corriente de falla del generador decae a cerca de la corriente nominal de plena carga de acuerdo a la reactancia síncrona y la constante de tiempo del generador, el ajuste de pickup será muy alto para operar. Únicamente en un número pequeño de aplicaciones los requerimientos de coordinación del sistema y las constantes de tiempo del generador permitirán un ajuste confiable para este tipo de respaldo de sobrecorriente. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS El grupo más usado de relés de respaldo de sobrecorriente de fase son los relés de sobrecorriente controlados o restringidos por tensión (51V). Estos relés permiten ajustes menores de la corriente de carga del generador para proporcionar mayor sensibilidad para fallas en el sistema. El relé de sobrecorriente controlado con tensión deshabilita el disparo por sobrecorriente hasta que la tensión cae abajo del nivel ajustado. Si las tensiones de falla en el generador para fallas remotas están bien abajo de los niveles de tensión de operación normal del generador, la función de sobrecorriente puede ser restringida seguramente por la unidad de tensión del relé de sobrecorriente con control de tensión. El relé de sobrecorriente con restricción de tensión cambia el pickup de la unidad de sobrecorriente en proporción a la tensión, lo cual desensibiliza el relé para corrientes de carga mientras que incrementa la sensibilidad para fallas las cuales abaten la tensión y permite el pickup del relé. Estos dos relés dependen de una caída de tensión durante la condición de falla para funcionar adecuadamente. Para generadores conectados a un sistema débil, las caídas de tensión para fallas en el sistema podrían no ser los suficientemente diferentes de la tensión normal para proporcionar un margen de seguridad. Si esto es cierto, entonces la habilidad de supervisión por tensión de la protección de sobrecorriente no proporcionará la seguridad necesaria y la protección de respaldo debe ser ajustada muy alta para ser efectiva. Figura 2. Características del relé de sobrecorriente con restricción de tensión La corriente del generador para una falla trifásica es menor para un generador sin carga con el regulador fuera de servicio. Esta es la peor condición usada para ajustar éstos dos tipos de relés. Para un relé controlado por tensión el ajuste de pickup debe estar entre 30% 40% de la corriente de plena carga. Debido a los 63 tiempos de disparo de los relés de sobrecorriente de respaldo son retardados cerca de 0.5 segundos o más, las corrientes en el generador deben ser calculadas usando la reactancia síncrona del generador y la tensión atrás de la reactancia síncrona del generador. Con el regulador fuera de servicio y únicamente carga auxiliar mínima, un valor típico para la tensión atrás de la reactancia síncrona es aproximadamente 1.2 pu. Dada una impedancia típica del generador de 1.5 pu. y una impedancia del transformador elevador de 0.1 pu, la corriente máxima de estado estable será de 0.7 pu. sin regulador de tensión. La característica típica de un relé de sobrecorriente restringido por tensión se muestra en la figura 2. El pickup de sobrecorriente restringido por tensión debe ser ajustado a 150% de la corriente nominal del generador con restricción de la tensión nominal. Esto típicamente dará un pickup de 25% de la corriente nominal del generador con restricción de tensión 0%. Esto dará un pickup proporcional para tensiones entre 0% y 100% de la restricción nominal. Note que estos ajustes normalmente no permiten al relé de respaldo proteger para fallas en el bus auxiliar debido a la gran impedancia del transformador de servicio de la estación. El ajuste de retardo de tiempo está basado sobre el peor caso de coordinación con los relés de protección del sistema. El peor caso es usualmente un disparo con retardo con tiempos de libramiento de falla de interruptor. Para relés de línea con esquema piloto el peor caso usado es justo el disparo retardado debido a un disparo atrasado con falla de interruptor asumiendo una falla del esquema piloto y una falla del interruptor. Esto es usualmente muy conservativo y de muy baja probabilidad. La coordinación es usualmente calculada con restricción de tensión cero. Esto es una idea conservativa puesto que en realidad está presente algo de la tensión de restricción y trabajará para mejorar la coordinación. Algunos sistemas de excitación del generador usan únicamente transformadores de potencial de potencia (PPT) conectados a los terminales del generador como entrada de potencia al campo de excitación. Estos sistemas de excitación podrían no ser capaces de sostener las corrientes de falla el suficiente tiempo para que los relés de protección de respaldo operen. Esta reducción de corriente debe tomarse en cuenta cuando se ajuste el retardo de tiempo del relé para los sistemas basados en PPT. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 3. Configuración de un sistema complejo con infeeds múltiples RESPALDO DE DISTANCIA DE FASE El segundo tipo de protección de respaldo de fase es el relé de distancia. De acuerdo a las más recientes investigaciones en las empresas, el relé de distancia es la protección de respaldo de fase más usada. Típicamente se aplica un relé monozónico de distancia con una característica Mho. Si el generador es conectado a través de un transformador elevador delta-estrella a tierra, ciertos relés requieren transformadores auxiliares los cuales desfasarán el ángulo de fase del potencial del relé para igualar con las tensiones del sistema para detectar correctamente las fallas en el sistema. Vea la figura 1. La aplicación de relés de distancia requiere un ajuste de alcance lo suficientemente grande para cubrir una falla por falla de los relés de línea que salen de la subestación. Este ajuste es complicado por los efectos de infeed y diferentes longitudes de línea (figura 3) cuando múltiples líneas conectan el generador al sistema. Los efectos de infeed requieren que el ajuste sea mucho mayor que la impedancia de línea. La coordinación con los dispositivos de protección de línea es usualmente requerida forzando un tiempo el cual es mayor que un tiempo de libramiento de zona dos para la falla en línea. Además de esto, el ajuste debe permanecer conservativamente arriba de la capacidad de la máquina para prevenir disparos inadvertidos con oscilaciones del generador y disturbios severos de tensión. Este criterio normalmente requiere compromisos en la protección deseada para mantener la seguridad del generador. Existen numerosas consideraciones para ajustar los relés de respaldo de fase. Para aplicaciones donde se requiere protección de alta rapidez del tablero local, una aplicación de zona 2 es requerida con el timer de zona 1 ajustado para coordinar con los relés de línea de alta rapidez más el tiempo de falla de interruptor. Este 64 ajuste puede normalmente acomodar infeeds. embargo, existen dos problemas con este ajuste. 1. 2. 3. Sin Si las líneas que salen de la subestación son relativamente cortas, la impedancia del transformador elevador podría causar que la zona corta vea más allá de la protección de línea. Ajuste el relé con margen para permitir que los errores de impedancia puedan agregar más impedancia al ajuste que la línea corta. Un problema de los esquemas de protección con relés antiguos sin protección para tensión cero de falla con fallas cercanas causa que la unidad de disparo del relé no opere. Si no existe la protección para tensión cero de falla sobre el bus del sistema de potencia, se requiere el disparo de alta rapidez del generador para prevenir recierre fuera de fase de los relés de transmisión del extremos remoto. Los beneficios de tiempos de disparo cortos para fallas dentro de la zona entre los interruptores del generador y el relé de distancia de respaldo son minimizados por el decremento lento del campo y las características del generador. El ajuste de alcance largo debe ser checado para la coordinación con los relés del bus auxiliar. El ajuste de alcance largo debe permitir la respuesta del regulador para sobrecargas en el sistema de tiempo corto y permitir la recuperación de oscilaciones del generador. Debido a estas condiciones, los relés de distancia deben ajustarse para permitir más del 200% de la capacidad del generador. PROTECCION DE RESPALDO DE TIERRA La figura 1 muestra la ubicación de los relés de protección de respaldo de tierra. Para el generador conectado en unidad el relé es localizado en el neutro del lado de alta tensión del transformador elevador. En el generador conectado directamente, el relé de respaldo es conectado a un transformador de corriente en el neutro del generador. En algunas aplicaciones, es ventajoso tener un relé de respaldo de tierra fuera de línea y en línea. Antes de la sincronización, el relé de tierra de ajuste bajo en el generador conectado en unidad puede proteger las boquillas de alta tensión del transformador y los conductores a los interruptores del generador con un disparo de alta rapidez. Con el interruptor del generador abierto, no hay necesidad de coordinar con los relés del sistema. El generador conectado directo puede tener protección de tierra de TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS alta rapidez para la zona fuera del interruptor del generador en operación fuera de línea. El relé usado para la protección de respaldo de tierra es un relé de sobrecorriente de tiempo con una característica de tiempo inverso o muy inverso. Este relé fuera de línea debe ser ajustado con un ajuste mínimo. El relé dentro de línea debe ser ajustado para coordinar con la protección de falla a tierra más lenta del sistema. Se debe poner especial atención para la coordinación con la protección de distancia de tierra sobre las líneas de transmisión. Cualquier falla a tierra con resistencia de arco fuera del alcance del relé de distancia de tierra, no debe ser vista por los relés de respaldo de tierra. La protección de respaldo de tierra debe operar para fallas a tierra en el extremo de todas las líneas que salen de la subestación. La coordinación requiere que el pickup sea al menos del 15% al 25% mayor que el ajuste del relé de tierra mayor. Para líneas protegidas con relés de distancia de línea, el relé de respaldo debe ser ajustado arriba del mayor límite de resistencia de falla de los relés de distancia de tierra del sistema para proporcionar coordinación. RESPALDO DEL SISTEMA CON EL RELÉ DE SECUENCIA NEGATIVA DEL GENERADOR Este relé ha sido cubierto con detalle en otra sección de este tutorial, por lo que solo enfatizaremos las características del relé aplicadas como protección de respaldo del sistema. El relé de secuencia negativa debe ser ajustado para proteger al generador basado en la capacidad de corriente nominal de ANSI C50.13. Es deseable ajustar el relé para proteger por desbalances serie en el sistema las cuales requieren el uso de relés estáticos sensitivos. Un ajuste bajo le permitirá al relé de secuencia negativa proteger al generador para condiciones de conductor abierto la cual no podrá ser detectada por cualquier otro relé de protección. Las más recientes investigaciones sobre protección de respaldo muestran operaciones mínimas de los relés de sobrecorriente de secuencia negativa para fallas en el sistema de potencia. Esto valida la idea que el ajuste de los relés de secuencia negativa a la capacidad del generador bajan la capacidad continua permitiendo un gran margen de coordinación entre los tiempos de disparo de la protección por falla del sistema y la protección de secuencia negativa del generador. De otra manera, los relés de secuencia negativa del generador 65 podrían no ser buen respaldo para fallas en el sistema porque se tendría daño adicional al equipo debido a tiempos de disparo largos antes de que la falla sea librada y subsecuente inestabilidad del generador para los tiempos de libramiento de falla largos. Como se apuntó anteriormente, el relé de secuencia negativa no protege para fallas trifásicas balanceadas. como consecuencia de una falla de interruptores. El tercero reportó daños al generador como resultado de la operación durante una hora con un polo del interruptor de alta tensión abierto. Otro incidente ligado a la protección de respaldo, fue una falla a tierra librada con mucho tiempo resultante de una operación de falla de interruptor de 230 kV la cual originó un daño en dos rotores de generadores debido a la sensibilidad de los relés electromecánicos de secuencia negativa. CONSECUENCIAS Como se estableció al inicio de esta sección, existen reglas en la aplicación de la protección de respaldo del sistema. Las más recientes investigaciones de la industria sobre este tópico muestran el riesgo en la seguridad y la sensibilidad. En la investigación fueron reportadas un total de 46 operaciones de la protección de respaldo. De este total, fueron 26 operaciones correctas y 29 operaciones incorrectas. La protección de respaldo de tierra tiene las menores operaciones incorrectas. Las operaciones de fase y secuencia negativa fueron casi iguales entre correcta e incorrectas. De estas operaciones incorrectas, nueve fueron fallas o mal ajuste del relé, tres fueron errores de alambrado, tres fueron ajustes incorrectos, tres fueron circuitos de potencial abierto, y una fue error del personal. Estas operaciones incorrectas enfatizan la necesidad de tener cuidado en la aplicación e implementación de la protección de respaldo. Esto también muestra el hecho de que estos esquemas de relés son seguros cuando se aplican e implementan correctamente. La investigación también describe tres eventos que ocurrieron como resultado de no tener relés de respaldo. Dos resultaron en un incendio que quemó seis cubículos TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS CONCLUSIONES La aplicación de la protección de respaldo de generador involucra tener mucho cuidado en las consideraciones entre sensibilidad y seguridad. El riesgo de aplicar protección de respaldo puede ser minimizado teniendo mucho cuidado en observar los puntos discutidos en esta sección del tutorial. Estos riesgos tienen mucho peso por las consecuencias de no tener protección de respaldo adecuada. REFERENCIAS 1. "A Survey of Generator Back-up Protection Practices IEEE Committee Report," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 5, No. 2, April 1990, pp 575-584. 2. Higgins,T.A., Holly, HJ., and Wall, L.A., "Generator Representation and Characteristics For Three Phase Faults," Georgia Institute of Technology Relay Conference, 1989. 3. ANSIIIF-EEC37.102-1987,"Guide Generator Protection." for 66 AC SECCIÓN 12 ENERGIZACIÓN INADVERTIDA DEL GENERADOR RESUMEN La energización accidental o inadvertida de generadores sincrónicos ha sido problema particular dentro de la industria en años recientes. Un número significante de máquinas grandes han sido dañadas o, en algunos casos, completamente destruidas cuando fueron energizadas accidentalmente mientras estaban fuera de línea. La frecuencia de estas ocurrencias ha dirigido a los fabricantes de generadores grandes en U.S.A. ha recomendar que el problema sea manejado vía esquemas de relés de protección dedicados. Figura 1A. Subestación típica de interruptor y medio INTRODUCCIÓN La energización inadvertida o accidental de grandes generadores-turbina ha ocurrido lo suficientemente frecuente dentro de la industria en años recientes para llegar a ser un tema preocupante. Cuando un generador es energizado mientras esta fuera de línea y girando, o rodando hacia el paro, se convierte en un motor de inducción y puede ser dañado en unos pocos segundos. También puede ocurrir daño en la turbina. Un número significante de máquinas grandes han sido severamente dañadas y, en algunos casos, completamente destruidas. El costo a la industria de tal ocurrencia no es únicamente el costo de la reparación o reemplazo de la máquina dañada, sino además el costo sustancial de la compra de potencia de reemplazo durante el periodo en que la unidad está fuera de servicio. Errores de operación, arqueos de contactos del interruptor, mal funcionamiento del circuito de control o una combinación de estas causas han dado como resultado que el generador llegue a ser energizado accidentalmente mientras está fuera de línea. ERRORES DE OPERACIÓN Los errores de operación se han incrementado en la industria porque las centrales generadoras de alta tensión han llegado a ser más complejas con el uso de configuraciones de interruptor y medio y bus en anillo. La figura 1 muestra los diagramas unifilares para estas dos subestaciones. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 1B. Subestación típica de bus en anillo Estos diseños de subestaciones proporcionan suficiente flexibilidad para permitir que un interruptor de generador de alta tensión (A ó B) sea sacado de servicio sin también requerir que la unidad sea removida de servicio. Las cuchillas desconectadoras de los interruptores (no mostradas) están disponibles para aislar al interruptor para reparación. Cuando la unidad está fuera de línea, sin embargo, los interruptores del generador (A y B) son generalmente regresados a servicio como interruptores de bus para completar una fila en una subestación de interruptor y medio o completar un bus en anillo. Esto da como resultado que el generador sólo está aislado del sistema únicamente a través de una cuchilla desconectadora de alta tensión (S1). Aislamiento adicional del sistema de potencia 67 puede ser proporcionado removiendo los tirantes (straps) del generador u otros dispositivos de seccionalización en el bus de fase aislada del generador. Generalmente, estos dispositivos del bus de fase aislada son abiertos para proporcionar libramientos o aislamientos seguros para salidas prolongadas de la unidad. Existen muchas situaciones en las cuales la cuchilla si proporciona el único aislamiento entre la máquina y el sistema. Aún con inter-bloqueos entre los interruptores del generador (A y B) y la cuchilla S1 para prevenir el cierre accidental de la cuchilla, ha sido registrado un número significante de casos de unidades energizadas accidentalmente a través de esta cuchilla S1 mientras están fuera de línea. Una complicación de este problema es la posibilidad de que algunas o todas las protecciones del generador, por una u otra razón, puedan estar deshabilitadas durante este periodo. Máquinas grandes conectadas al sistema a través de interruptores de generador de media tensión han sido también energizadas inadvertidamente. El uso de estos interruptores de media tensión permite mayor flexibilidad de operación que la configuración tradicional de conexión en unidad. La figura 2 muestra un diagrama unifilar típico para este diseño. Cuando el generador esta fuera de línea, el interruptor E es abierto para proporcionar aislamiento del sistema. Esto permite que el transformador auxiliar de la unidad permanezca energizado y llevando carga cuando el generador está fuera de servicio y proporciona potencial para el arranque cuando el generador va a ser puesto en línea. Han sido reportados casos de cierre accidental del interruptor E y arqueos de polos resultantes de pérdida de la capacidad dieléctrica. Otra trayectoria para la energización inadvertida de un generador es a través del sistema de auxiliares de la unidad por el cierre accidental de los interruptores del transformador auxiliar (C ó D). Debido a la mayor impedancia en esta trayectoria, las corrientes y el daño resultante son mucho menores que los experimentados por el generador cuando es energizado desde el sistema de potencia. ARQUEO DE LOS CONTACTOS DEL INTERRUPTOR: El esfuerzo dieléctrico extremo asociado con los interruptores de A.T. y E.A.T. y el pequeño espaciamiento de aire entre contactos asociados con sus requerimientos de interrupción de alta rapidez pueden conducir al arqueo de contactos. Este arqueo de contactos (generalmente uno o dos polos) es otro método por el cual los generadores han sido energizados inadvertidamente. El riesgo de un arqueo es mucho mayor justo antes de la sincronización o justo después de que la unidad es removida de servicio. Durante este periodo, la tensión a través del interruptor de generador abierto puede ser dos veces el normal según la unidad se deslice angularmente con el sistema. Una pérdida de presión en algunos tipos de interruptores de A.T. y E.A.T. durante este período pueden resultar en el arqueo de uno o dos polos del interruptor, energizando al generador y causando un flujo significante de corriente desbalanceada dañina en los devanados del generador. Esta única condición de falla de interruptor debe ser rápidamente detectada y aislada para prevenir un daño mayor al generador. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Figura 2. Subestación con interruptor de generador en baja tensión Respuesta del inadvertida. generador a la energización Respuesta del generador a energización trifásica: Cuando un generador es energizado accidentalmente con la tensión trifásica del sistema mientras está girando, se convierte en un motor de inducción. Durante la energización trifásica en parada, un flujo rotatorio a frecuencia síncrona es inducido en el rotor del generador. La corriente resultante en el rotor es forzada hacia las trayectorias subtransitorias en el cuerpo del rotor y los devanados de amortiguamiento (si existen) similares a las trayectorias de la corriente del rotor para corrientes de secuencia negativa en el estator durante el generador en una fase. La impedancia de la máquina durante este gran intervalo de deslizamiento es equivalente a su impedancia de secuencia negativa (R2G + JX2G). La componente resistiva de la impedancia es usualmente despreciada. La reactancia de secuencia negativa de la máquina es 68 aproximadamente igual a (X”d + X”q)/2. La tensión y la corriente en terminales de la máquina durante este periodo será una función de la impedancia del generador, el transformador elevador y del sistema. Cuando un generador es energizado inadvertidamente, la corriente del estator induce corrientes de grandes magnitudes en el rotor, causándole rápido calentamiento térmico. Esta corriente del rotor es inicialmente a 60 Hz, pero disminuye en su frecuencia según se incrementa la velocidad del rotor debido a la acción de motor de inducción. Si el generador está conectado a un sistema fuerte, las corrientes iniciales en el estator estarán en el rango de tres a cuatro veces su capacidad y la tensión en terminales estará en el rango de 50-70% del nominal, para valores típicos de impedancias de generador y transformador elevador. Si el generador está conectado a un sistema débil, la corriente en el estator podría únicamente ser una o dos veces su capacidad y la tensión en terminales únicamente 20-40% del nominal. Cuando el generador es energizado inadvertidamente desde su transformador auxiliar, la corriente en el estator será del rango de 0.1 a 0.2 veces su capacidad debido a las grandes impedancias en esta trayectoria. El circuito equivalente mostrado en el apéndice I puede ser usado para determinar aproximadamente las corrientes y tensiones iniciales de la máquina cuando un generador es energizado desde el sistema de potencia. RESPUESTA DEL GENERADOR DEBIDO A ENERGIZACIÓN MONOFÁSICA: La energización monofásica de un generador con la tensión del sistema de potencia mientras está en reposo sujeta al generador a una corriente desbalanceada significante. Esta corriente causa flujo de corriente de secuencia negativa y calentamiento térmico del rotor similar al causado por la energización trifásica. No existirá un par de aceleración significante si la tensión aplicada al generador es monofásica y la unidad está esencialmente en reposo. Corrientes de secuencia positiva y negativa fluirán en el estator y ellas inducirán corrientes de aproximadamente 60 Hz en el rotor. Esto produce campos magnéticos en dirección opuesta sin generar esencialmente un par de aceleración neto. Si la tensión monofásica es aplicado cuando la unidad no está en reposo sino, por ende, a velocidad media nominal, el par de aceleración debido a la corriente de secuencia positiva será mayor que el par de des-aceleración debido a la corriente de secuencia negativa y la unidad se acelerará. El arqueo del interruptor es la causa más frecuente de la energización inadvertida monofásica. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Esta situación es más fácil que ocurra justo antes de la sincronización o justo después de que la unidad es removida de servicio cuando la tensión de la máquina y el sistema esta 180° fuera de fase. La magnitud de la corriente del estator puede ser calculada usando el circuito equivalente de componentes simétricas mostrado en el Apéndice II para un generador conectado al sistema de potencia a través de un transformador elevador delta-estrella a tierra. DAÑO EN EL GENERADOR DEBIDO A LA ENERGIZACIÓN INADVERTIDA. El efecto inicial de la energización inadvertida de un generador desde el reposo o cuando está rodando es el rápido calentamiento en las trayectorias del hierro cerca de la superficie del rotor debido a la corriente inducida en el estator. Estas trayectorias principalmente consisten de las cuñas, hierro del rotor y anillos de retención. La profundidad de la penetración de la corriente es una fracción de pulgada, considerablemente menor de la profundidad de los devanados del rotor. Los contactos entre estos componentes son puntos donde una rápida elevación de la temperatura ocurre, debido principalmente al arqueo. Las cuñas, por ejemplo, tienen poca carga “clamping” en reposo, resultando en arqueo entre ellas y el hierro del rotor. El calentamiento por arqueo comenzará a fundir los metales, y podría causar que las cuñas sean debilitadas al punto de fallar de inmediato o eventualmente, dependiendo del tiempo de disparo para librar el incidente de la energización inadvertida. Si ocurre daño a los devanados del rotor, podrían ser daños mecánicos debido a la pérdida de las cuñas de soporte, en lugar del calentamiento. Debido a la baja profundidad de la penetración de la corriente, los devanados del rotor podrían no experimentar una elevación de temperatura excesiva y, por lo tanto, podrían no ser dañados térmicamente. El calentamiento generalizado de la superficie del rotor a una temperatura excesiva se propaga a las áreas descritas, pero si el disparo es retrasado el rotor será dañado y no se podrá reparar. Las magnitudes de corriente en el estator durante este incidente están generalmente dentro de su capacidad térmica; sin embargo, si ocurre un calentamiento sostenido del rotor, las cuñas u otras partes del rotor podrían romperse y dañar al estator. Esto podría dar como resultado la pérdida del generador entero. El tiempo en el cual el daño del rotor ocurre puede ser calculado aproximadamente usando la ecuación para la 69 ♦ Relé de potencia inversa. Cuando la máquina está en o ♦ Relé de secuencia negativa. cerca del reposo y es energizado inadvertidamente desde una fuente trifásica o monofásica, el valor de I2 usada en esta fórmula es la magnitud en por unidad de la corriente de fase del generador fluyendo en los devanados de la máquina. Si el generador es energizado desde una fuente monofásica en o cerca de la velocidad de sincronismo, debe ser usada la componente de secuencia negativa de la corriente. Los circuitos equivalentes en el Apéndice I y II pueden ser usados para determinar el valor de la corriente para estas situaciones. ♦ Falla de interruptor. ♦ Relés de respaldo del sistema. capacidad de secuencia negativa de corto tiempo del 2 generador I2 t= K. En el caso de las unidades cross-compound, campo suficiente es aplicado a una velocidad muy baja para mantener a los generadores en sincronismo. La aplicación inadvertida de tensión trifásica intentará arrancar a ambos generadores como motores de inducción. El riesgo térmico al rotor es el mismo que cuando no se aplica el campo y es agravado por la presencia de corriente en el devanado de campo del rotor. DAÑO A MÁQUINAS HIDROS: Los hidrogeneradores son máquinas de polos salientes y están provistos normalmente con devanados de amortiguamiento en cada polo. Estos devanados de amortiguamiento podrían o no podrían no estar conectados juntamente. La energización inadvertida podría crear suficiente par en el rotor para producir alguna rotación. Más importante la capacidad térmica del devanado de amortiguamiento, especialmente en el punto de conexión a los polos de acero, podrían no ser adecuado para las corrientes resultantes. El calentamiento de los puntos de conexión, combinado con la deficiente ventilación, crearan daño rápidamente. Puesto que el diseño de los hidrogeneradores es único, cada unidad necesita ser evaluada para ver los efectos dañinos de la energización inadvertida. RESPUESTA DE LA PROTECCIÓN CONVENCIONAL DEL GENERADOR A LA ENERGIZACIÓN INADVERTIDA Existen varios relés usados en el esquema de protección que podrían detectar, o pueden ser ajustados para detectar, la energización inadvertida. Ellas son: ♦ Protección de pérdida de campo. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS PROTECCIÓN DESHABILITADA: La protección para la energización inadvertida necesita estar en servicio cuando el generador está fuera de servicio. Esto es lo opuesto de la protección normal. Frecuentemente, las empresas deshabilitan la protección del generador cuando la unidad está fuera de línea para prevenir el disparo de los interruptores del generador los cuales han sido regresados al servicio como interruptores de bus en subestaciones con interruptor y medio y bus en anillo. También es una práctica de operación común remover los fusibles de los transformadores de potencial (TP’s) del generador como una práctica de seguridad cuando el generador es removido de servicio. Esto deshabilita a los relés dependientes de la tensión para proporcionar protección contra la energización inadvertida. Muchas empresas usan contactos auxiliares (52 a) de las cuchillas desconectadoras de alta tensión del generador para deshabilitar automáticamente la protección del generador cuando la unidad está fuera de línea lo que puede evitar que estos relés operen como protección contra la energización inadvertida. En muchos casos, los ingenieros no reconocen esta falla de la protección. RELÉS DE PÉRDIDA DE CAMPO: Los relés de pérdida de campo dependen de la tensión. Si la fuente de tensión es desconectada cuando la unidad está fuera de línea, este relé no operará. También debe notarse que el relé de pérdida de campo es muchas veces sacado de servicio por un switch desconectador y/o contactos 52 a de interruptor cuando la máquina está fuera de línea. Por lo tanto, dependiendo de cómo ocurre la energización inadvertida, la protección de pérdida de campo podría estar deshabilitada. RELÉS DE POTENCIA INVERSA: El nivel de potencia resultante de la energización inadvertida generalmente está dentro del rango de pickup del relé de potencia inversa. El disparo de este relé es bastante retardado (normalmente 30 segundos o más) el cual es un tiempo muy grande para prevenir daño al generador. En algunos tipos de estos relés, este retardo de tiempo es introducido a través de un timer operado con tensión de CA. cuyo nivel de pickup requiere que esté presente el 50% de la tensión nominal en terminales. Si la tensión en terminales del generador está abajo de este nivel, el relé no operará. Si la fuente de potencial es 70 desconectada, el relé de potencia inversa es también inhibido. RELÉ DE SECUENCIA NEGATIVA: Es práctica común proporcionar protección al generador contra condiciones de desbalance externo que podrían dañar a la máquina. Esta protección consiste de un relé corriente-tiempo el cual responde a la corriente de secuencia negativa. Dos tipos de relés son usados para esta protección: Un relé de sobrecorriente de tiempo electromecánico y un relé estático con una característica de sobrecorriente de tiempo que iguala la curva de capabilidad I22 t = K del generador. El relé electromecánico fue diseñado principalmente para proporcionar protección a la máquina contra fallas desbalanceadas en el sistema, no libradas. El pickup de corriente de secuencia negativa de este relé es generalmente 0.6 p.u. de la corriente de plena carga nominal. Los relés estáticos son mucho más sensitivos y son capaces de detectar y disparar para corrientes de secuencia negativa abajo de la capacidad continua del generador. El relé de secuencia negativa estático, por lo tanto, detectará energizaciones inadvertidas monofásicas para muchos casos. La respuesta del relé electromecánico debe ser checada para asegurar que su ajuste sea suficientemente sensitivo, especialmente en aplicaciones en las cuales la unidad es conectada a un sistema débil. El disparo de estos relés podría ser supervisado por contactos 52 a de la cuchilla o interruptor de alta tensión lo cual podría dejarlo inoperativo para eventos de arqueo del interruptor cuando el interruptor está abierto mecánicamente. PROTECCIÓN DE FALLA DE INTERRUPTOR DEL GENERADOR: La falla de interruptor de generador debe ser iniciada para aislar un generador por una condición de energización inadvertida debido al arqueo del interruptor. Un diagrama funcional para un esquema típico de falla de interruptor de generador se muestra en la figura 3. tiempo iniciar el(los) timer(s) de falla de interruptor. Si el(los) interruptor(es) no libra la falla o condición anormal en un tiempo especificado, el timer disparará a los interruptores de respaldo necesarios para remover el generador del sistema. El detector de corriente (CD) o el contacto del interruptor (52a) son usados para detectar que el interruptor ha abierto exitosamente. El contacto 52 a de interruptor debe ser usado en este caso puesto que existen fallas y/o condiciones anormales del generador las cuales no producirán suficiente corriente para operar al detector de corriente (CD). Si uno o dos polos de un interruptor arquean para energizar un generador, dos condiciones deben ser satisfechas para iniciar la falla de interruptor: 1. El arqueo debe ser detectado por un relé de protección del generador que pueda inicializar al relé de falla de interruptor (BFI). 2. El detector de corriente de falla de interruptor (CD) debe ser ajustado con suficiente sensibilidad para detectar la condición de arqueo. RELÉS DE RESPALDO DEL SISTEMA: Relés de impedancia o de sobrecorriente controlado o restringido por tensión, usados como protección de respaldo del generador, pueden ser ajustados para proporcionar detección de la energización inadvertida trifásica. Su operación, sin embargo, debe ser checada comparando sus ajustes con las condiciones esperadas en terminales de la máquina por la energización inadvertida. Estos relés tienen asociado un retardo de tiempo para disparar el cual generalmente es muy largo para evitar que el generador sea dañado. Intentos de reducir este tiempo de retardo generalmente resultan en disparo en falso por oscilaciones, estables de potencia o pérdida de coordinación bajo condiciones de falla. También, la operación del tipo particular de relé usado debe ser revisada para la condición cuando la tensión de polarización o de restricción sea desconectada. ESQUEMAS DE PROTECCIÓN DEDICADOS PARA DETECTAR LA ENERGIZACIÓN INADVERTIDA Figura 3. Lógica de falla del interruptor del generador Cuando los relés de protección del generador detectan una falla interna o una condición anormal, intentarán disparar a los interruptores del generador y al mismo TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Debido a las severas limitaciones de los relés convencionales de generadores para detectar la energización inadvertida, han sido desarrollados e instalados esquemas de protección dedicados. A diferencia de los esquemas convencionales de protección, los cuales protegen cuando el equipo está en servicio, estos esquemas proporcionan protección cuando el equipo está fuera de servicio. Así, se debe tener 71 mucho cuidado cuando se implemente esta protección tal que la fuente de C.D. para disparo y las cantidades de entrada al relé no sean removidas cuando la unidad protegida está fuera de línea. Esta sección del tutorial describe varios esquemas de protección dedicados contra energización inadvertida para unidades sin interruptor de baja tensión del generador. La juiciosa selección de las fuentes de entrada permiten que muchos de estos esquemas, sean aplicados a generadores con interruptor de baja tensión. Cualquiera que sea el esquema de protección para la energización accidental del generador, la protección debe ser conectada para disparar a los interruptores de campo y de alta tensión, disparar los interruptores de auxiliares, iniciar el respaldo por falla del interruptor de alta tensión, y estar implementado de tal forma que no quede deshabilitado cuando la máquina esté fuera de servicio. RELÉS DE SOBRECORRIENTE SUPERVISADO POR FRECUENCIA. La figura 4 describe un esquema de sobrecorriente supervisado por frecuencia diseñado específicamente para detectar la energización accidental. El esquema utiliza un relé de frecuencia para supervisar la salida de disparo de los relés de sobrecorriente instantáneos ajustados sensiblemente. Los relés de sobrecorriente son automáticamente armados por el relé de frecuencia si la unidad está fuera de línea y permanece armado mientras la unidad está apagada. Para asegurar la confiabilidad del disparo de alta rapidez, los relés de sobrecorriente deben ser ajustados a un 50% ó menos de la corriente mínima vista durante la energización accidental. El relé de frecuencia (81) usado para identificar cuando el generador está fuera de línea debe tener un punto de ajuste bien abajo de cualquier frecuencia de operación de emergencia. Sus contactos de salida también deben permanecer cerrados cuando la tensión es cero. El relé de balance de tensión (60) previene operaciones incorrectas debido a la pérdida de potencia del relé de frecuencia bajo condiciones normales de operación. Cuando el generador es sacado de línea, la frecuencia de la máquina caerá abajo del punto de ajuste del relé de frecuencia. El relé de frecuencia energizará el relé auxiliar 81x a través del contacto normalmente cerrado del relé de balance de tensión. Un contacto del relé auxiliar 81 x se cerrará entonces para habilitar el circuito de disparo de los relés de sobrecorriente. El esquema de protección es así armado y permanece TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS armado todo el tiempo que la unidad está fuera. Aún si la fuente de potencial de C.A. es desconectada mientras que el generador está fuera por mantenimiento, el contacto del relé de frecuencia debe permanecer cerrado, permitiendo así el disparo por sobrecorriente de alta rapidez. Cuando el generador sea energizado accidentalmente, el relé de frecuencia abrirá sus contactos, pero el retardo de tiempo al dropout del relé auxiliar 81 x permitirá el disparo por sobrecorriente. Cuando el generador es acelerado para estar listo para conectarlo, la frecuencia de la máquina excede la frecuencia del punto de ajuste del relé. El relé de frecuencia opera y desenergiza el relé auxiliar 81x. Este, después de que transcurre su retardo de tiempo de dropout, desarma el circuito de disparo de los relés de sobrecorriente. El esquema de sobrecorriente supervisado por frecuencia no proporcionará protección para un arqueo del interruptor de generador de alta tensión justo antes de la sincronización cuando la máquina está en o cerca de su velocidad nominal con el campo aplicado. Protección adicional, como se describe en la siguiente sección, debe ser instalada para esta situación. Figura 4. Lógica de sobrecorriente supervisada por frecuencia RELÉS DE SOBRECORRIENTE SUPERVISADOS CON TENSIÓN La figura 5 muestra un esquema de sobrecorriente supervisado con tensión el cual está diseñado para detectar la energización accidental. Este esquema utiliza relés de tensión (27-1 y 27-2) para supervisar del relé estático de sobrecorriente de fase instantáneo (50) 72 de alta rapidez, para proporcionar protección contra la energización inadvertida. Los relés de sobrecorriente son armados automáticamente cuando la unidad está fuera de línea y permanecen armados mientras la unidad está fuera. Ellos son removidos automáticamente de servicio cuando la unidad está en línea. Las unidades de sobrecorriente se ajustan para responder a corrientes del 50% ó menos de la corriente mínima vista durante la energización accidental. Los relés de baja tensión (27-1 y 27-2) habilitan y deshabilitan a los detectores de corriente (50) vía los relés de retardo de tiempo (62-1 y 62-2). Dos relés 27 son alimentados de transformadores de tensión separados para prevenir la mala operación que puede resultar de la pérdida de una fuente de potencial. Un relé de retardo de tiempo (623) y un relé alarma detector de tensión (74-1) son usados para alarmar esta situación. Los relés de tensión 27-1 y 27-2 son generalmente ajustados en aproximadamente el 85% de la tensión nominal. El timer 62-1 deshabilita el disparo por relés de sobrecorriente (50) después de que la tensión regresa a la normalidad antes de la sincronización. El timer 62-2 habilita el disparo por sobrecorriente cuando la tensión cae abajo del 85% del normal cuando la máquina es removida de servicio. El timer 62-2 es ajustado con suficiente retardo (generalmente dos segundos) para prevenir que habilite a los relés de sobrecorriente para fallas en el sistema de potencia o en los auxiliares de la unidad las cuales podrían llevar la tensión en terminales de la máquina abajo del nivel de 85%. El esquema se repondrá cuando el campo del generador es aplicado para desarrollar su tensión nominal antes de la sincronización. Así, el arqueo del interruptor de alta tensión del generador justo antes de la sincronización no será detectado. Protección adicional, como se describe en la siguiente sección, debe ser instalada para esta situación. Para mejorar la integridad de este esquema, han seleccionado instalarlo en el lado de alta tensión usando TC’s y C.D. localizadas en esta área. Otros han seleccionado ubicarlo en la planta e instalarlo de tal forma que no sea desconectado cuando la unidad está fuera de línea. Ubicando los TC’s en las terminales de la máquina, el relé puede ser ajustado para detectar la energización inadvertida a través del transformador de auxiliares. La referencia 5 proporciona una descripción detallada del esquema de sobrecorriente supervisado con tensión. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 27 - Relés de estáticos. baja tensión, instantáneos, 50 - Tres relés de sobrecorriente, instantáneos, estáticos. 62 - Relés con retardo de tiempo ajustable. 74 - Relés de alarma, de armadura, reseteables, con banderas. auto- 86 - Relé de bloqueo, dispara a los interruptores del generador e inicializa el timer de falla de interruptor. 94 - Relé de disparo, de armadura, de alta rapidez. Figura 5. Lógica de sobrecorriente supervisada por tensión RELÉS DE SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL 73 falla de interruptor. Este esquema depende de que el potencial esté presente para su adecuada operación. Por lo tanto, si el procedimiento de operación de la compañía requiere quitar los fusibles de los TPs del generador por seguridad cuando la unidad es sacada de servicio, este esquema no debe ser aplicado. RELÉS DE IMPEDANCIA Figura 6. Lógica de sobrecorriente direccional El esquema dibujado en la figura 6 emplea tres relés de sobrecorriente de tiempo inverso direccionales. Las señales de tensión y corriente son obtenidas de las terminales del generador. Se usan dos diferentes métodos. El método 1 usa un relé que tiene máxima sensibilidad cuando la corriente aplicada al relé adelanta a la tensión por 30°. Para asegurar que la capacidad de carga subexcitada de la máquina no este dispareja apreciablemente, la conexión de 60° (IA – IB y VAC ) es usada. Se requieren TCs conectados en delta o TCs auxiliares, o TPs conectados línea a tierra podrían ser aplicados. El ajuste usado podría involucrar un compromiso entre la sensibilidad deseada y un ajuste en el cual el relé no sea dañado térmicamente por la máxima corriente de carga continua. El método 2 usa un relé que tiene máxima sensibilidad cuando la corriente aplicada al relé adelanta a la tensión por 60°. Una conexión de 90° al relé (IA y VBC ) permitirán que la operación subexcitada adecuada sea lograda. Algunos relés de este tipo tienen una sensibilidad fija de 0.5 Amperes y una capacidad continua de 5.0 Amps. Generalmente se ajustan para operar en 0.25 segundos a 2 veces la corriente nominal del generador. Los relés de sobrecorriente direccional (67) debe disparar a los interruptores del generador e inicializar el timer de TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Este es un esquema desarrollado el cual usa relés de impedancia localizados en el tablero de alta tensión los cuales son polarizados para “ver hacia” la máquina como se muestra en la figura 7. El relé de impedancia se ajusta para detectar la suma de la reactancia del transformador elevador y la reactancia de secuencia negativa de la máquina (X1T + X2g) con un margen apropiado. En algunos casos, el relé de impedancia es supervisado por un relé de sobrecorriente instantáneo para prevenir operación en falso por pérdida de potencial. Algunas empresas conectan al relé de impedancia para disparar a los interruptores de alta tensión del generador e iniciar el paro de la unidad sin pensar en que la unidad esté dentro o fuera de línea. El relé de impedancia generalmente opera para oscilaciones de potencia inestable y requiere un análisis de estabilidad muy completo para asegurarse de que el esquema no disparará con oscilaciones estables. Otras empresas eligen la habilidad del esquema para disparar con alta rapidez únicamente cuando la unidad está fuera de línea y agregan un retardo de tiempo por seguridad cuando la unidad está en línea. La figura 7 es una ilustración de tal esquema. Este proporciona una medida de protección aún si los contactos auxiliares de la cuchilla del generador fallan para habilitar el disparo de alta rapidez. El esquema disparará a la unidad si el campo es aplicado cuando ocurre la energización accidental previendo que la unidad está sustancialmente fuera de fase con el sistema en el momento de la energización. Se requiere protección adicional para la energización monofásica, puesto que un relé de impedancia tiene capacidad limitada para detectar esta condición. 74 50 - Relés de sobrecorriente instantáneo. 21 - Relé de distancia. 62 - Relé con retardo de tiempo ajustable. 62TX - Timer auxiliar. 51/89b - Contacto auxiliar de la cuchilla de alta tensión del generador. 52X - Relé auxiliar – Retardo de tiempo al dropout. 86 - Relé de Bloqueo: Dispara a los interruptores del generador y arranca el timer de falla de interruptor. Figura 7. Lógica del relé de impedancia RELÉS DE SOBRECORRIENTE HABILITADOS CON CONTACTO AUXILIAR El esquema mostrado en la figura 8 usa el contacto auxiliar del interruptor de campo del generador para habilitar y deshabilitar un relé de sobrecorriente para detectar la energización inadvertida cuando la unidad está fuera de línea. Este esquema consiste de tres detectores de corriente de falla, instantáneos, no direccionales los cuales son armados para disparar si el interruptor de campo está abierto o fuera de su rack. Cualquiera de estas condiciones energizará un timer (62) con retardo de tiempo en el pickup y dropout que habilita el esquema. Los relés de sobrecorriente son ajustados en 50% ó menos de la corriente mínima vista durante la energizacion accidental. Para evitar su operación en falso cuando la unidad está en servicio, el esquema está diseñado de tal forma que no es armado a menos que los relés de sobrecorriente sean reseteados primero. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 41 Pos - Cerrado cuando el interruptor de campo está en su rack. 41 b - Contacto auxiliar del interruptor de campo. 50 - Tres relés de sobrecorriente instantáneos. 62 - Timer con retardo de tiempo (ciclos) al pickup y dropout. 86 - Relé de bloqueo que dispara a los interruptores del generador e inicializa el timer de falla de interruptor. Figura 8. Lógica del relé de sobrecorriente habilitado por contacto auxiliar Si la unidad está en línea, y los relés de sobrecorriente operan debido a la carga, la bobina del relé 62 es bypaseada para prevenir su operación. Este esquema está diseñado de tal forma que ninguna función de disparo de la unidad asociada con una falla o disparo mecánico lo activará. Como con algunos otros esquemas descritos, el esquema mostrado en la figura 8 se reseteará cuando el campo sea aplicado a la unidad antes de la sincronización. El esquema no dará protección a bajas RPM de la turbina con el campo dentro. Aunque el campo generalmente no es aplicado abajo de la velocidad síncrona en unidades tandem modernas, las unidades cross-compound requieren sincronización entre unidades a muy bajas RPM. Para asegurar la protección durante el período de la pre-sincronización, es necesario usar el contacto 41b 75 del interruptor de campo principal no el del interruptor de campo de arranque. Además, la excitación debe ser transferida del excitador de arranque al principal antes de la sincronización para evitar un disparo en falso en la sincronización. deben ser ajustados con suficiente sensibilidad para detectar esta condición de arqueo. ESQUEMAS DE PROTECCION DEDICADOS PARA DETECTAR ARQUEOS DEL INTERRUPTOR DEL GENERADOR Para el arqueo de un polo del interruptor de alta tensión, del generador, redispararlo no desenergizará la máquina. La iniciación del relé de falla de interruptor es requerida para disparo local adicional y posiblemente el disparo de los interruptores remotos para desenergizar al generador. Algunos de los esquemas discutidos antes pueden ser ajustados para detectar arqueos del interruptor y proporcionar protección en conjunto con la protección de falla de interruptor del generador. Otros esquemas son inoperativos cuando el generador está cerca de su velocidad y tensión nominales antes de la sincronización y deben ser complementados con protección adicional. Corrientes desbalanceadas asociadas con el arqueo del interruptor generalmente causaran que opere el relé de secuencia negativa. La falla de interruptor será iniciada si los detectores de corriente de falla de interruptor son ajustados con suficiente sensibilidad para detectar la situación. A continuación describiremos los esquemas diseñados específicamente para la rápida detección y aislamiento de esta forma única de falla de interruptor. ESQUEMA DE MODIFICADO FALLA DE INTERRUPTOR Un método usado para acelerar la detección de un arqueo de interruptor es modificar el esquema de falla de interruptor como se muestra en la figura 9. Un relé de sobrecorriente instantáneo (50 N) es conectado en el neutro del transformador elevador y se ajusta para responder a un arqueo de un polo del interruptor de alta tensión. La salida del relé es supervisada por el contacto “b” del interruptor del generador proporcionando un arranque auxiliar al esquema de falla de interruptor. Cuando el interruptor de generador está abierto y uno o dos polos arquean, la corriente resultante en el neutro del transformador es detectada por el relé 50 N sin el retardo asociado con el esquema de secuencia negativa o algunos de los esquemas de energización inadvertida descritos previamente. Los detectores de corriente (CD) asociados con el esquema de falla de interruptor TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 52 a, 52 b CD 50 N - Contactos auxiliares del interruptor. Detector de corriente. Relé de sobrecorriente instantáneo. Figura 9. Lógica de falla de interruptor modificada DISCORDANCIA DE POLOS DEL INTERRUPTOR: Es práctica general que los interruptores de alta tensión estén diseñados con mecanismos de operación independientes por polo. Para cierres de polos no simétricos, estos interruptores son protegidos por una interconexión de contactos auxiliares. Si algún polo está cerrado al mismo tiempo que otro está abierto, se proporciona una vía para iniciar el disparo del interruptor. Puesto que las indicaciones de los contactos auxiliares del interruptor no proporcionan una indicación positiva de la posición del polo, estos esquemas se pueden mejorar por un relé el cual monitorea el flujo de corriente de las tres fases a través de interruptor y sensa si alguna fase está abajo de un cierto nivel bajo (indicando un polo del interruptor abierto) al mismo tiempo que cualquier otra fase está arriba de un nivel alto sustancialmente (indicando un polo cerrado o arqueando). Para aplicaciones de bus en anillo o interruptor y medio, la tensión de secuencia cero a través del interruptor es usada para supervisar el disparo del relé. Esto previene la operación en falso 76 debido a corrientes desbalanceadas causadas por las impedancias de fase diferentes en los buses. Así, este relé de discordancia de polos monitoreado con corriente proporciona un método para detectar el arqueo del interruptor, pero el disparo es generalmente con retardo de 0.5 segundos. La referencia 5 proporciona una descripción detallada de este relé. han sido descritos en esta sección. Estos esquemas varían debido a que las prácticas de operación y filosofías de protección de las empresas que los usan son diferentes. Los ingenieros de protección deben evaluar los riesgos y determinar el impacto de sus prácticas de protección sobre la operación de su compañía antes de decidir cual esquema es más adecuado a sus necesidades particulares. Se espera que esta sección le ayude en esta tarea. CONCLUSIONES La energización inadvertida de generadores sincrónicos ha llegado a ser un problema significante en la industria en los últimos años en función de que las centrales generadoras se han vuelto más complejas. Los esquemas ampliamente usados de interruptor y medio y bus en anillo han sido de una ayuda significante para dar flexibilidad de operación a las centrales generadoras, de alta tensión. Estas configuraciones también han incrementado la complejidad y el riesgo de que el generador sea energizado inadvertidamente mientras que está fuera de línea. Los errores de operación, arqueo de interruptor, mal funcionamiento de los circuitos de control o una combinación de estas causas han dado como resultado en que los generadores lleguen a ser energizados accidentalmente. Debido a que el daño a la máquina puede ocurrir en pocos segundos, esta debe ser detectada y aislada por la acción de relés. Aunque existen relés usados como parte de la protección del generador normal, su habilidad para detectar la energización inadvertida del generador es generalmente marginal. Estos relés normalmente están deshabilitados en el momento cuando la máquina es energizada inadvertidamente, u operan muy lentos para evitar el daño al generador y/o la turbina. Por esta razón, la mayoría de fabricantes de turbina-generador en USA han recomendado, y muchas empresas están instalando, esquemas de protección contra energización inadvertida dedicados. La mayoría de esquemas en servicio en USA TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS REFERENCIAS 1. IEEE Power System Relay Working Group Report Nº 88SM527-4 “Inadvertent Energizing Protection of Synchronous Generators” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, Nº 2 April 1989. 2. E.R. Detjen, “Some Additional Thoughts on Generator Protection”, presented at the Pennsylvania Electric Association Relay Committee, May 29, 1981. 3. IEEE “Guide for A.C. Generator ANSI/IEEE C37.102-1988. 4. J.G. Manzek and J.T. Ullo, “Implementation of an Open Breaker Flashover Inadvertent Energization Protection Scheme on Generators Circuit Breakers,” presented to the Pennsylvania Electric Associtaion Relay Committee, September 14, 1983. 5. M. Meisinger, G. Rockefeller, L. Schulze, “RAGUA: Protection Against Accidental Energization of Synchronous Machines” presented to the Pennsylvania Electric Assocition Relay Committee, September 14, 1983. 6. W.A. Elmire, C.L. Wagner “Pole Disagreement Relaying”, presented to 10th Annual Western Relay Conference, Spokane, Washington, Ocotber 24-27, 1983. Protection,” 77 APÉNDICE I Cálculos de corrientes y tensiones iniciales cuando un generador es energizado desde una fuente trifásica. Circuito equivalente aproximado = Reactancia X1T transformador. de secuencia positiva del X2G = generador. Reactancia de secuencia negativa del R2G = generador. Resistencia de secuencia negativa del ES = Tensión del Sistema. = Tensión del lado de alta tensión del ET transformador. EG I P3φG = Tensión en terminales del generador. = Corriente. = Potencia trifásica del generador. I= Donde: X15 = Reactancia de secuencia positiva del sistema. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Es X1S + X1T + X2G EG = (I) (X2G) ET = (I) (X2G + X1T) P3φG = 3I2 R2G 78 APÉNDICE II Cálculos de corrientes y tensiones iniciales cuando un generador es energizado desde una fuente monofásica tal como un arqueo de los contactos del interruptor justo antes de la sincronización. 180º fuera de fase. Si no hay campo en la máquina en el momento de la energización inadvertida, la tensión fuente Eg es cero en el circuito equivalente de secuencia positiva. Donde: ARQUEO DE INTERRUPTOR ABIERTO X1G, X2G, X0G = Reactancias de secuencia positiva, negativa y cero del generador. X1T, X2T, X0T = Reactancias de secuencia positiva, negativa y cero del transformador elevador. X1S, X2S, X0S= Reactancia de secuencia positiva, negativa y cero del equivalente del sistema. Eg= Tensión del generador. Es= Tensión del sistema. I1, I2, I0= Corrientes de secuencia positiva, negativa y cero CIRCUITO EQUIVALENTE SIMÉTRICAS DE COMPONENTES CIRCUITO SIMPLIFICADO El diagrama de arriba asume que ocurre un arqueo cuando las tensiones del generador y del sistema están TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 79 SECCIÓN 13 FALLA DE INTERRUPTOR DE GENERADOR. RESUMEN Un esquema de falla de interruptor necesita ser iniciado cuando los relés de protección del sistema operan para disparar al interruptor del generador, pero el interruptor falla al operar. Debido a las sensibilidades requeridas para la protección del generador, respaldar la falla del interruptor de generador por relés de la terminal remota no es posible. Se requiere falla de interruptor local. La protección de falla de interruptor para interruptores de generadores es similar a la de los interruptores del sistema de transmisión, pero existen pequeñas diferencias que serán tratadas en esta sección. INTRODUCCIÓN La protección de falla de interruptor prevé el disparo de los interruptores de respaldo si una falla o condición anormal es detectada por los relés de protección y el interruptor del generador no abre después de la iniciación del disparo. Por ejemplo, si una falla o condición anormal en la zona de protección del generador 1 (Figura 1) no es librada por el interruptor 1 dentro de un tiempo predeterminado, será necesario disparar los interruptores 2, 3, y 4 localmente para eliminar la falla o condición anormal. La figura 2 ilustra la operación de un esquema de falla de interruptor local aplicado a una subestación con bus en anillo. Figura 2 Una falla en la zona de protección del generador 1 requiere disparar dos interruptores en la Subestación A. Si cualquiera de los interruptores fallara para librar la falla, la protección de falla de interruptor iniciará el disparo de un interruptor adicional y el disparo transferido a un interruptor remoto. La figura 3 es un diagrama lógico que representa un esquema básico de protección de falla de interruptor. Consideraciones similares deben darse para arreglos multi-interruptores tales como configuraciones de buses en anillo o interruptor y medio. Figura 3 LÓGICA DE GENERADOR Figura 1 TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS FALLA DE INTERRUPTOR DEL Un diagrama funcional de un esquema típico de falla de interruptor de generador se muestra en la figura 4. Igual que en todos estos esquemas, cuando los relés de protección detectan una falla interna o una condición de operación anormal, intentarán disparar al interruptor del generador y al mismo tiempo iniciar el timer de falla de 80 interruptor. Si un interruptor no libera la falla o condición anormal en un tiempo especificado, el timer disparará a los interruptores necesarios para remover al generador del sistema. Como se muestra en la figura 4, para iniciar el timer de falla de interruptor, debe operar un relé de protección y un detector de corriente o un contacto “a” del interruptor debe indicar que el interruptor ha fallado al abrir. Excepto por el uso del contacto “a” del interruptor, el arreglo mostrado en la figura 4 es típico de muchos esquemas de falla de interruptor. El contacto “a” del interruptor debe ser usado en este caso puesto que existen fallas y/o condiciones anormales de operación tales como fallas del estator o bus a tierra, sobreexcitación V/Hz, secuencia negativa, baja frecuencia excesiva, flujo de potencia inversa, etc., las cuales no producen suficiente corriente para operar los detectores de corriente, Si cada polo del interruptor opera independientemente, contactos “a” del interruptor de cada uno de los tres polos deben ser paraleleados y conectados en el circuito lógico. algunas veces para esta función. Si el generador está conectado al sistema a través de dos interruptores, cada interruptor deberá estar equipado con un relé de falla de interruptor. Tiempo de falla de interruptor. La protección de falla de interruptor debe ser lo suficientemente rápida para mantener la estabilidad, pero no tan rápida que comprometa la seguridad del disparo. Esto es particularmente importante sobre líneas de transmisión grandes donde la estabilidad es crítica. La figura 5 muestra la carta de tiempo para un esquema típico de falla de interruptor. Figura 5. Coordinación del tiempo de falla de interruptor 52a CD 62 - Contactos auxiliares del interruptor. - Detector de corriente. - Timer de falla de interruptor con pickup ajustable y sin retardo de dropout. Figura 4. Diagrama funcional de un esquema de falla de interruptor de generador Los relés de protección, mostrados en la figura 4, representan a todos los relés del generador y el bus que disparan al interruptor del generador. Típicamente, los relés del generador están divididos en grupos primario y de respaldo proporcionando redundancia en las funciones de protección. Otro factor a considerar es el procedimiento de operación cuando una máquina es sacada para mantenimiento. Cuando se usa un arreglo de bus en anillo, o interruptor y medio, o doble bus - doble interruptor en el lado de alta tensión, es práctica común aislar la unidad generadora vía una cuchilla desconectadora y cerrar los interruptores de alta tensión para cerrar el anillo o enlazar los dos buses. Bajo estas condiciones, será necesario aislar los contactos del relé de disparo y bloqueo para prevenir la operación innecesaria del respaldo por falla de interruptor durante las pruebas a los relés del generador. Switches de prueba son usados TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS El margen de tiempo sombreado proporciona seguridad y debe acomodar lo siguiente: A. Tiempo de interruptor. interrupción B. Tiempo de la sobrecarrera. C. Errores de TCs y TPs. D. Factor de seguridad. excesivo del Detectores de falla. Los detectores que tienen alta relación dropout/pickup y cuyo tiempo de dropout es afectado mínimamente por la saturación de TCs y el offset de C.D. en el circuito secundario, deben ser usados. Los generadores pueden ser alimentados desde dos interruptores. Es importante que las rtc, las características de excitación y los ajustes de los detectores de falla sean adecuados a las corrientes de falla máxima a través de cada interruptor. Ambos TCs deben tener la misma capacidad y tener la capacidad adecuada para manejar el burden del circuito. PROTECCIÓN CONTRA FLASHOVER DEL INTERRUPTOR DEL GENERADOR ABIERTO 81 Otras de las fallas de interruptor que pueden ocurrir y dañar al generador es un arqueo en un interruptor abierto a través de los contactos de uno o más polos del interruptor para energizar al generador. La protección para este tipo de falla de interruptor se describe a detalle en la sección Inadvertent Energizing de este tutorial y es resumida brevemente en esta sección, puesto que es una forma de falla de interruptor. El arqueo del interruptor es más probable que ocurra justo antes de la sincronización o justo después de que el generador es removido de servicio cuando la tensión a través de los contactos del interruptor del generador llega a ser hasta dos veces el normal, según el deslizamiento del generador en frecuencia con respecto al sistema. Aunque los interruptores están dimensionados para soportar esta tensión, la probabilidad de que un arqueo ocurra durante este periodo es elevada. Raramente tales arqueos ocurren simultáneamente en las tres fases. Por esto, muchos esquemas de protección están diseñados para detectar el arqueo de uno o dos polos del interruptor. Si uno o dos polos del interruptor arquean, el desbalance de corriente resultante generalmente causará que opere el relé de secuencia negativa del generador o posiblemente el relé de respaldo por sobrecorriente de tierra, los cuales iniciarán un disparo del interruptor con arqueo. La falla de interruptor como se muestra en la figura 4, iniciará si los detectores de corriente (CD) son ajustados con suficiente sensibilidad para detectar esta situación. Un método usado para hacer la detección de un arqueo de interruptor es modificar el esquema de falla de interruptor como se muestra en la figura 6. Un relé de sobrecorriente instantáneo (50N) es conectado al neutro del transformador elevador. La salida del relé es supervisada por el contacto “b” del interruptor de generador y provoca un arranque adicional al esquema de falla de interruptor. Cuando el interruptor de generador es abierto y uno o dos polos del interruptor arquean, la corriente resultante en el neutro del transformador es detectada por el relé 50N sin el retardo de tiempo asociado con los relés de respaldo de neutro o de secuencia negativa. Una vez más, los detectores de corriente asociados con la falla de interruptor deben ser ajustados con suficiente sensibilidad para detectar esta condición de arqueo. El arqueo del interruptor de generador puede también ser detectado por el relé de discrepancia de polos del interruptor. Este relé monitorea las tres corrientes de las tres fases que fluyen a través del interruptor y sensa sí alguna fase está debajo de un cierto límite bajo (indicando un polo de interruptor abierto) al mismo tiempo que cualquiera de las otras fases está arriba de un límite alto (indicando un polo cerrado o arqueando). Para aplicaciones de interruptor y medio o bus en anillo, la tensión 3Vo a través del interruptor es usada para supervisar el disparo del relé para prevenir la operación en falso debido a corrientes desbalanceadas causadas por diferencias en las impedancias de fase del bus. CONCLUSIÓN Esta sección resume las prácticas de la protección de falla de interruptor reportada con más detalle en las referencias 1 y 2 con mayores explicaciones de conceptos básicos. Los esquemas de falla de interruptor son generalmente conectados para energizar un relé de bloqueo las cuales disparan los interruptores de respaldo necesarios, inicia el disparo transferido de interruptores remotos necesarios y saca al generador de servicio. REFERENCIAS 1. “Summary Update of Practices on Breaker Failure Protection”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol PAS-101, No. 3 March 1982. 2. ANSI/IEEE C37.102-1987, “Guide for AC Generator Protection”. Figura 6. Lógica de falla de interruptor modificada SECCIÓN 14 TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 82 DISPARO DEL GENERADOR RESUMEN Esta sección proporcionará una visión de los objetivos básicos y las prácticas recomendadas en la industria para el disparo de la unidad generadora, una vez que una anormalidad o corto circuito ha sido detectado, requiriendo sacar la unidad de servicio. La tarea asociada con la aplicación de los esquemas de disparo adecuados sobre las unidades generadoras, no debe ser menospreciada. Para esto, se requiere de amplios conocimientos del equipo de la unidad generadora, así como de su comportamiento en condiciones normales y anormales. La selección del método adecuado de aislamiento del generador minimizará el daño y la preparará para un rápido regreso a servicio. INTRODUCCIÓN La unidad generadora representa una gran inversión para el propietario. La unidad generadora está compuesta por la turbina, el generador, el transformador, el sistema de excitación y los interruptores. Los objetivos generales de diseño de los sistemas de protección y sus esquemas de disparo asociados son: 1. Remover la sección dañada del sistema de potencia, para prevenir o minimizar el efecto de disturbio sobre las partes no falladas del sistema. 2. Minimizar o prevenir el daño al equipo. 3. Asegurar al máximo posible que ninguna contingencia sencilla deshabilite totalmente la protección sobre cualquier sistema. 4. proporcionar los medios que permitan que el equipo afectado, retorne rápidamente a servicio. Más específicamente, los objetivos de los esquemas de disparo para protección de la unidad generadora son asegurar que los efectos de las fallas y disturbios sean restringidos a su localidad. Los esquemas de disparo deben ser capaces de cumplir estos requerimientos cuando se tenga una contingencia de primer orden, tales como la falla de un solo relé de protección a operar o la falla de un interruptor a disparar. ESQUEMAS DE DISPARO Generalmente, los relés de protección discretos del generador, se agrupan para activar los relés auxiliares de disparo de tal forma que los relés con los mismos modos de disparo/paro del generador sean establecidos. Donde sea posible, el arreglo de los relés auxiliares de disparo debe proporcionar redundancia en las funciones de disparo y en los circuitos de disparo, de tal forma que los relés de respaldo operen sobre un relé auxiliar de disparo distinto al de la protección primaria. La tarea asociada con la aplicación de esquemas de disparo sobre las unidades generadoras no debe ser menospreciada. Este esfuerzo requiere de amplios conocimientos del equipo de la unidad generadora, así como de su comportamiento en condiciones normales y anormales. Habría que ser un ciego si la única consideración dada es desconectar al generador del sistema eléctrico sin tomar en consideración la manera precisa en la cual la unidad generadora puede ser aislada del sistema de potencia por las distintas funciones de los relés de protección. A continuación se describen cuatro métodos comunes para sacar el generador de servicio, cuando este trabaja en condiciones de operación anormales inaceptables o con fallas eléctricas. Disparo simultáneo. Proporciona los medios más rápidos para aislar al generador. Este modo de disparo es usado para todas las fallas internas en el generador y anomalías severas en la zona de protección del generador. El aislamiento es cumplido por el disparo al mismo tiempo de los interruptores del generador, el interruptor de campo, y el paro del impulsor cerrando las válvulas de la turbina. Si existe la posibilidad de que se presente una condición de sobre-velocidad significante de la unidad, un retardo de tiempo puede ser usado en el circuito de disparo del interruptor de generador. Si el retardo de tiempo es usado, el efecto de este retardo sobre el generador y/o el sistema debe ser determinado. Disparo del generador. Este modo de aislamiento dispara los interruptores del generador y del campo. El esquema no para al impulsor, y se utiliza donde pueda ser TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS 84 posible corregir la anormalidad rápidamente de tal modo que permita rápidamente la re-conexión de la máquina al sistema en un periodo corto de tiempo. Las protecciones que disparan al generador por disturbios en el sistema de potencia, en lugar de por fallas/anormalidades internas en el generador, pueden disparar de este modo si es permitido por el tipo de impulsor y las calderas. Separación de la unidad. Este esquema de disparo es similar al disparo del generador pero inicia únicamente la apertura de los interruptores del generador. Este esquema es recomendado aplicarlo cuando se desea mantener las cargas de auxiliares de la unidad conectadas al generador. Por ejemplo, durante un disturbio mayor en el sistema el cual requiere el disparo debido a baja frecuencia, la fuente de reserva podría no estar disponible. La ventaja de este esquema es que la unidad puede ser re-conectada al sistema con mínimo retardo. Este modo de disparo requiere que la unidad sea capaz de operar con baja carga (runback) enseguida de un disparo con rechazo de plena carga. Disparo secuencial. Este modo de disparo es principalmente usado sobre generadores de vapor para prevenir la sobre-velocidad cuando el disparo retardado no tiene efectos perjudiciales sobre la unidad generadora. Es usado para disparar al generador por problemas en el impulsor cuando no se requiere un disparo de alta velocidad. El primer dispositivo disparado son las válvulas de las turbinas. Un relé de potencia inversa en serie con los switches de posición de cierre de válvulas proporciona seguridad contra posible sobrevelocidad de la turbina asegurando que los flujos de vapor hayan sido reducidos debajo de la cantidad necesaria para producir una condición de sobrevelocidad cuando los interruptores del generador son disparados. Por problemas mecánicos en la turbina o en la caldera/reactor este es el modo de disparo preferido puesto que previene la sobre-velocidad de la máquina. Sin embargo, la desventaja es de que no existe salida de disparo para una falla de los switches límites de las válvulas de las turbinas o el relé de potencia inversa. Cuando esté método es usado, se debe proporcionar una protección de respaldo para asegurar el disparo de los interruptores principal y de campo en el caso de que exista una falla. Esta es generalmente proporcionado por un relé de potencia inversa separado que inicie el disparo en forma independiente. Este modo de disparo no debe anular la protección de los interruptores del generador que instantáneamente abren al interruptor del generador cuando ocurre una falla eléctrica crítica que puede causar serios daños al generador o al equipo de interrupción. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS La tabla 1 indica las acciones de disparo específicas para cada tipo de disparo descrito antes. Modo de disparo Interruptores del Generador Disparo del Campo Disparo de la turbina Disparo Simultáneo X X X Disparo del Generador X X Separación de la Unidad X Disparo Secuencial X* X* X* * Generalmente supervisado por el switch de posición de la válvula de la turbina y el relé de potencia inversa. Tabla 1. Acción de disparo. Selección del esquema de disparo Muchos factores contribuyen a la decisión sobre la selección del esquema de disparo apropiado. La siguiente lista nos muestra algunos de ellos: • Tipos de impulsor principal – maquina de diesel/gas, turbina de gas, turbina de vapor, turbina hidráulica. • Impacto de la perdida súbita de potencia de salida sobre el sistema eléctrico y la turbina. • Seguridad del personal. • Experiencia de los operadores. • Manejo de cargas de auxiliares de las unidades durante un paro de emergencia. 84 Dispositivo 21 ó 51V 24 32 40 46 49 51GN 51TN 59 59G N 61 63 64F 71 78 81 87G 87T 87U Disparo del Interruptor del Generador X Disparo del Interruptor de Campo Transferencia De auxiliares Disparo de la Turbina X X X X Nota 2 X X X X X X X X X X Nota 1 X X X X X X X X X X X Nota 4 X Nota 4 X X X X X X X X X X X X X Unicamente alarma X X Nota 3 X X X X X X Notas: 1. El dispositivo 59 puede ser conectado para disparo en unidades Hidrogeneradoras. 2. Si el generador está fuera de línea, dispara únicamente al interruptor de campo. 3. Refiérase a la sección sobre “Puesta a tierra del Estator” para protección de tierra al 100%. 4. Puede ser conectado para disparar por el fabricante del generador. Figura 1. Configuración típica Transformador Unidad Generador- Tabla 2. Lógica de disparo sugerida La figura 1 describe el complemento típico de la protección sobre un generador conectado en unidad. La tabla 2 sugiere la lógica de disparo para los distintos relés de protección. Muchas de estas funciones de protección han sido discutidas en este tutorial. La tabla fue adaptada de las Guías IEEE para la Protección de Generadores de C.A. (C37.102). Proporciona los lineamientos para desarrollar un esquema de disparo global de la protección del generador. Los esquemas de disparo individuales varían dependiendo de las preferencias de los propietarios, experiencias de operación y las capacidades específicas de las turbinas y calderas. La Tabla 2 proporciona las prácticas generalmente aceptadas en la industria. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Otras consideraciones filosofías de disparo en el desarrollo de las El interés ha crecido en los años recientes sobre los diversos accidentes graves ocurridos relacionados con la filosofía de disparo en estaciones generadoras. En plantas de potencia grandes, es común el uso tanto del interruptor y medio como la conexión en anillo del bus, con una cuchilla sobre el alimentador del generador. La figura 2 muestra estos arreglos. 85 Algunos esquemas de control usan los contactos auxiliares de las cuchillas para deshabilitar ciertos disparos de calderas mientras que la máquina está en el proceso de arranque. Esto es bastante común en unidades de carbón donde se toma un largo tiempo para poner la máquina en línea. Si ocurre un disparo indeseado, muchas horas pueden ser perdidas. Aun cuando esto es necesario para ser sensitivos a los problemas de control de calderas, la protección del generador no debe estar comprometida durante el proceso de arranque deshabilitando su capacidad para disparar a la turbina/caldera. Figura 2. (a) Subestación típica de interruptor y medio (b) Subestación típica de bus en anillo Esto permite al generador estar fuera de línea, la cuchilla abierta, y los interruptores cerrados para mantener otros enlaces entre los buses principales. En las primeras fases de construcción de la planta, es común tener una configuración de bus en anillo la cual posteriormente es expandida a un arreglo de interruptor y medio. La configuración de bus en anillo requiere de una cuchilla desconectadora sobre el alimentador del generador que pueda estar abierta tal que el anillo pueda estar cerrado cuando el generador este fuera de línea. Algunos ingenieros han usado contactos auxiliares de estas cuchillas desconectadoras para deshabilitar algunas o todas las protecciones del generador cuando el generador está fuera de línea. Aun cuando esto parece ser una indicación conveniente del estado de la máquina, puede ser engañoso por condiciones anormales. Cuchilla desconectadora. Cuando los relés de protección son deshabilitados rutinariamente por la cuchilla desconectadora, lo siguiente debe ser considerado cuidadosamente. Debido a los problemas de ajuste y montaje los contactos auxiliares podrían no cerrar adecuadamente y protecciones vitales podrían estar fuera de servicio cuando más se necesita. También, si los contactos auxiliares están localizados dentro del compartimento del motor, ellos podrían únicamente seguir al mecanismo del motor y no a las navajas de la cuchilla realmente. Cuando el motor esté desacoplado de la flecha de la cuchilla y esta sea cerrada manualmente, la protección quedará fuera de servicio. Aún si el grupo de auxiliares es montado de tal forma que siga a la flecha de operación de la cuchilla, puede haber problemas. Varios accidentes muy serios pueden ser originados directamente por el uso de contactos auxiliares para deshabilitar la protección y esta práctica no es recomendada. TUTORIAL DE PROTECCIONES DE GENERADORES SINCRÓNICOS Mantenimiento. Cuando el generador está fuera de línea por mantenimiento, reglas y procedimientos de seguridad pueden requerir que los transformadores de potencial del generador sean sacados de sus gabinetes. También, en algunos casos, los transformadores de corriente pueden ser cortocircuitados y también la fuente de disparo de C.D. de la estación puede ser desconectada. El ingeniero de diseño debe estar consciente de estas posibilidades cuando determine el tipo y localización de la protección de respaldo del generador y la protección contra energización inadvertida. La creencia común es que si el generador está fuera de línea, la protección no es necesaria. Sin embargo, la larga lista de generadores que han sido energizados inadvertidamente tiende a soportar la necesidad de tener toda la protección que sea posible en servicio aun cuando la máquina esté fuera de línea. CONCLUSIÓN La selección de la acción de disparo adecuada para los relés de protección del generador es una de los aspectos más importantes de la protección de generadores. Esta tarea requiere de un amplio entendimiento de la protección del generador, la capacidad del sistema generador/turbina y las prácticas de operación/mantenimiento de la unidad. La selección del modo de disparo apropiado minimiza o previene daños y prepara para el rápido regreso a servicio de la unidad. Referencia 1. ANSI/IEEE C37.102-1987, “Guide for AC Generator Protection”. 86 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 EVALUACIÓN DINAMICA DE MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS 1. INTRODUCCIÓN Cuando nos referimos a máquinas rotativas trifásicas, estamos incluyendo a los motores tipo jaula de ardilla (de una y doble jaula) y rotor bobinado. Para comprobar la validez de nuestro software, se han realizado las simulaciones correspondientes con un motor Marca DELCROSA, así mismo se han realizado simulaciones con motores de diversas marcas y tamaños. Hemos tenido en cuenta la categorización de los motores Jaula de ardilla según las normas IEC 34 -12 y NEMA., así mismo se ha contemplado la constitución mecánica y eléctrica según IEC 34 – 1 – 5 - 7 y 8. Creemos que esta herramienta ayudará a los estudiantes y profesionales vinculados con el área. 2. DESLIZAMIENTO, VELOCIDAD Y FRECUENCIA Deslizamiento(s).-En una característica de las maquinas rotantes asíncronas y está definida por las ecuaciones siguientes: ( ( ) ) Donde: F P nr N ws Wr : : : : : : frecuencia síncrona (estator) en HZ. número de polos. velocidad rotacional del rotor en RPM. velocidad rotacional síncrona RPM. velocidad angular síncrona en rad/seg. velocidad angular del rotor en rad/seg. 3. MODELO DE LAS MÁQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS Si se desea pronosticar el comportamiento de un motor de inducción trifásico resulta imprescindible definir el modelo ADECUADO de la máquina a partir de las siguientes leyes: Ley de Amper. Ley Faraday. Ley Lenz y Lorenz. Ley de Biot y Savart. Leyes de Kirchoff ( LKI y LKV ). Este modelo debe permitir la evaluación dinámica de los parámetros del motor en funcionamiento. Para el estudio del motor jaula de ardilla utilizamos un modelo monofásico muy análogo al del transformador del que deducimos el circuito equivalente exacto que vamos a utilizar es: 4. CIRCUITOS EQUIVALENTES DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS DE INDUCCION NOTA: El hecho de utilizar un modelo aproximado significa correr el núcleo a los bornes, MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 provocando un error del 2 al 5 % dependiendo del tamaño de las maquinas, para evitar este error nuestra metodología utiliza el modelo exacto. 5. PÉRDIDAS PRODUCIDAS DURANTE SU DESEMPEÑO 5.1 PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO.- Se presentan en el circuito magnético de la máquina como consecuencia de la utilización de la corriente alterna, para cuantificar la energía absorbida por el núcleo es que lo dividimos en: Pérdidas por corrientes de Eddy (PE).- Llamada también corrientes parásitas, constituye la característica de operación de un circuito magnético excitado con C.A. ( ) Donde: MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Ke : Constante que depende de la conductividad del material y de su espesor. F : Frecuencia en Hz. Bm : Densidad máxima de flujo en el entrehierro (Tesla). Pérdidas por histéresis (Ph).- La fuerza magnetomotriz utilizando corriente alterna presenta una curva cerrada y simétrica B vs H, y el área interna (dentro de la curva cerrada) es proporcional a la pérdida de energía (en forma de calor) por ciclo. Donde: Kh : es una constante de proporcionalidad que depende de la calidad de acero. : es un exponente que según los fabricantes varía entre 1.5 - 2.5. Trayectorias de flujos magnéticos en los motores 5.2 PÉRDIDAS EN EL BOBINADO ESTATÓRICO.- Son las pérdidas (efecto Joule) que se producen en los arrollamientos (alambre esmaltado) del estator. 5.3 PÉRDIDAS EN EL BOBINADO ROTÓRICO (O JAULA DE ARDILLA).- son las pérdidas que se producen en los arrollamientos del bobinado rotórico o jaula de ardilla del rotor. MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 5.4 PÉRDIDAS SUPLEMENTARIAS.- Está compuesto por las diversas fricciones producidas dentro de la máquina (rodamientos) y el trabajo producido por el ventilador externo y aletas del rotor encargados de la ventilación del sistema. 5.5 POTENCIA ROTACIONAL (PROTAC). Con este ensayo se obtiene las pérdidas totales producidas por el sistema de ventilación, además de las fricciones respectivas de las máquinas rotantes. √ Donde: I1 : corriente de fase en amperios. VL : tensión de línea en voltios. IL : corriente de línea en amperios. cos : factor de potencia sin carga 6. ENSAYOS REALIZADOS 6.1 MEDIDA DE LA RESISTENCIA DEL ESTATOR. Método del voltio a perimétrico. Método del puente wheastone. ( ) ( ) ( ) Donde: K : constante del efecto skin. R1DC : resistencia a temperatura ambiente (T 0) R1 : resistencia a temperatura de trabajo (T) MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 R1AC : resistencia estator en AC. : coeficiente de temperatura y depende del material siendo su valor α 0 -1 0 -1 y α(aluminio)=0.035 C α (cobre) = 0.00393 C √ Siendo u=1 (permeabilidad para materiales no magnéticos) y F=60Hz 6.2 PRUEBA DE VACIO. Se opera el motor sin carga en el eje a tensión y frecuencia nominales. Se toman las lecturas de tensión, corriente y potencia de entrada así como el valor de la velocidad rotacional. La potencia leída corresponden a las pérdidas en: El cobre del bobinado estatórico, núcleo y pérdidas rotacionales dentro de la máquina. Luego: En esta prueba es muy importante constatar que las curvas de excitación Vrst (voltios) vs I(Amperios) y Bmax (Gauss) vs H (Amper-vuelta/metro) sean iguales, y para facilitar su cálculo se presentan las ecuaciones siguientes: √ Donde: Lm : Longitud media al paquete magnético en (m). N : Número de vueltas del bobinado estatórico. L : Longitud del paquete magnético. MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 C : Altura de la corona en m. F : Frecuencia del sistema en hz. VL : Tensión delinea-línea en voltios. A = LC = área transv.del paquete estatorico. √ : Cuando la conexión es triangulo y el dato es corriente de fase. Objetivos: Levantar la curva de vacío(ubicar la zona de saturación) a tensión y frecuencia nominal. Evaluar la impedancia del núcleo. Constatar que la fuerza magnetomotriz total sea equilibrada, esto es que las corriente de línea sean iguales. Medir las pérdidas en el núcleo ( Corrientes de Foucoult y Edy ) Las impedancias del rotor y carga muy grandes ( Z’2 + RL luego podemos plantear para esta prueba la siguiente formulación: ), √ Donde: Z0: Impedancia equivalente por fase (Ω). V0: tensión de fase en voltios. R0: Impedancia equivalente por fase (Ω). PO: Potencia monofásica en vatios. RM: Resistencia del núcleo (). XO: Reactancia equivalente (). XM: Reactancia magnetizante del núcleo(). IO :Corriente de vacío en Amp. 6.3 PRUEBA EN CORTO CIRCUITO(rotor bloqueado) Se realiza con el rotor mecánicamente parado alimentándose con una tensión reducida y a frecuencia nominal, para poder hacer circular por los devanados del estator la corriente nominal. Se aconseja tomar las lecturas rápidamente observando la temperatura del cobre antes y después del ensayo, a fin de evitar errores por cambio de temperatura. Las reactancias estatóricas y rotóricas para un motor tipo jaula de ardilla dependen de la categorización según NEMA MG1 incluido en EMRAT ). Esto nos permite plantear el siguiente modelo y formulación: MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Objetivo Evaluar Z2’ . Evaluar la impedancia Zr, Zs y Zt (Deben ser iguales). Controlar que las corrientes de las tres fases sean iguales a la corriente nominal de la placa (medir que la frecuencia sea la nominal). Medir las pérdidas en el cobre (Efecto Joule del motor). √ ( ) √ Para evaluar X1 y X2' recurrir a las reactancias estatóricas y rotóricas Donde: Rcc : Resistencia a rotor bloqueado ( ). Pcc : Es la potencia activa (Vatios) Icc : Corriente nominal de línea ( A ). Vcc : Es la tensión de linea ( Voltios ). Xcc : Reactancia a rotor bloqueado ( ). x2’ : Reactancia inductiva del rotor ( ). En el desarrollo del software hemos tenido en cuenta la variabilidad de la corriente, torque, potencia, FP, EF y Pútil en función del deslizamiento y hemos analizado con especial atención las zonas de: Arranque, nominal y vacío. MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Según la IEE Presentan la tabla N03 referidas a las reactancias de dispersión del estator (X s) y por (Xr) de los motores de inducción trifásicos en función de Las reactancias equivalentes de corto circuito o por rotor bloqueado (Xcc) y a partir de esta tabla conociéndose Xo y X1 puede hallarse Xm. . 7 DIAGRAMA FASORIAL MONOFASICO 8 EVALUACION DEL TORQUE MAXIMO Para evaluar el torque máximo utilizamos el teorema de la máxima transferencia de potencia aplicado al modelo exacto. √ √( ( ) ( ) ) MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Reemplazando : ( ) (( ) ( ) ) Para obtener el deslizamiento correspondiente al torque maximo(sb),que va ha tener el torque en su proceso del rompimiento de la inercia del sistema, este valor podemos encontrarlo derivando la ecuacion con respecto al deslizamiento,esto es: ( ( ) ) En consecuencia tambien se puede obtener el Smax en forma analitica siendo el resultado del deslizamiento maximo: √ en la curva de torque vs velocidad podemos distinguir claramente los torques de arranque, minimo maximo,nominales y de la carga.su calculo es importante puesto que el determinar la capacidad de sobrecarga momentanea del motor. En los motores de induccion tipo jaula de ardfilla SCIM el torque maximo se obtiene aplicando el teorema de maxima transferencia para lo cual en elrotor se presenta la siguiente igualdad: siendo Smax. El deslizamiento en la region donde se produce el torque maximoy se halla utilizando la sgte.formula: RPM(Tm) esla velocidad donde se produce el torque maximo. Entonces el torque maximo desarrollo por el rotor (Tmax) se puede calcular utilizando la siguiente ecuacion: MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Donde: Tr: torque nominal. Sr Deslizamiento a la velocidad nominal del rotor. 9 TORQUE ARRANQUE (Tarr) El efecto pelicular (skin) y la temperatura hacen que la impedancia retorica se diferente del valor que alcanza en operación normal, entonces se precisa tener niveles permisibles de torque y corriente de arranque, tales que saquen del reposo a la masa inercial sin llegar a deteriorar sus componentes tales como conductores aislados, materiales, aislantes, etc sarr =1 (en el momento de arranque, el rotor se halla parado) Habiendo realizado las pruebas de corto circuito donde podemos conocer vcc, R´2,XCC, esto nos permitirá conocer R´2 (resistencia total del rotor en ohm/fase), tal que sarr = 1 √ Solo consideramos el circuito rotorico pues la corriente I´ 2>>>I Finalmente la potencia de ingreso al rotor en el arranque está dado por la siguiente ecuación. 10 CORRIENTE DE ARRANQUE (Iarr) Los numerosos ensayos realizados por los fabricantes han encontrado que la impedancia equivalentes del núcleo Zm en muchos mayor que la impedancia equivalente de la maquina (Zeq) Por esta razón y sin cometer mucho error podemos hacer el siguiente planteamiento. Luego, podemos afirmar,que la corriente total registrada en elestator esta dada por: MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Cuando la velocidad de la masa girante sea igual a cero RPMrotor=0 el deslizamiento tomara el valor S=1 luego podemos encontrar la corriente de arranque de la maquina. En la ecuacion se puede notar que la corriente de arranque no esta en funcion de la carga,pero sidependemos directamente de los parametros del motor (donde si resulta predominante las caracteristicas del rotor). 10.1 VALORES MÁXIMOS NORMALIZADOS. La tabla N° 5 muestra los limites maximos de la corriente conrotor bloqueado en funcion de la potencia nominal del motor.son validos para cualquier numero de polos y estan expresados en terminos de la potencia aparante absorbidos con el rotor bloqueado en relacion ala potencia nominal, KVA/KW. ⁄ ⁄ ⁄ √ √ Donde: IP : corriente con rotor bloqueado o de arranque (amp.) V: tensión nominal (voltios). P : potencia nominal (cv ó kw). 10.2 INDICACION DE LA CORRIENTE. La indicacion del valor de la corrienye de rotor bloqueado en la placa de identeficacion del motor es hecha a traces de la letra codigo normalizado que da la indicacion de la faja de los valores KVA/CV. Los valore correspondientes a estas letras del codigo de arranque se muestran en la tabla 6. Los valores del torque de arranque son especializados por las normas NEMA (MGI 1978 PARTE 12)EIEC(PUBLIC.34-12)quienes dan los requerimientos minimos de torque. Deben observarse que las normas NEMA son mas rigurosas para definir las caracteristicas de torque,definiendo el diseño A,B,C,D. mientras las normas iec solo distinguen dos tipos de diseño:EIN (motor trifasico de torque normal)yH(motor trifasico de alto torque de arranque) MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 la corriente de arranque se especifica de azcuerdo a las normas de fabricacion, haciendo dos alternativas que son. Los fabricantes que utilizan las normas IEC especifican directamente relacion Ip/In. los fabricantes queutilizan las normas NEMA especifican indirectamente la corriente de arranque por una letra de codigo que indica la relacion de los KVA de arranque y los HP ó CV nominales. √ ⁄ Donde: EF : eficiencia. FP : factores. HP:potencia útil puede ser CV. 11 ECUACIÓN MECÁNICA Se trata de equilibrar la energía eléctrica absorbida por los arrollamientos del estator y la potencia mecánica entregada por el eje de la maquina rotativa. Para relacionar esta transferencia entregada por el eje de la maquina rotativa. para relacionar esta transferencia de energía eléctrica a mecánica es que se utiliza la siguiente ecuación a la que llamamos ecuación mecánica. Donde: Te : Ttotal : Jtotal : Dm : Dtotal : p : torque electromagnético (N-m). torque de la carga (N-m). 2 momento de inercia(Kg-m ). velocidad angular (Rad/seg). coeficiente de fricción(N-m-seg). derivada con respecto al tiempo. MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 La ecuación mecánica resulta viable siempre cuando exista un torque acelerado es decir para que exista movimiento el torque electromagnético de ser mayor que el torque resistente de la carga, tal como lo señala a continuación Te > TL El torque ELECTROMAGNETICO tendrá su trabajo principal en la carga y la potencia mecánica en el eje del motor (HP) Ó potencia neta (la que se encuentra en los catálogos del fabricante).tiene una relación directa con la velocidad angular a la cual se desplaza la masa girante. FLUJOGRAMA CONCLUSIONES 1.-El software EMRAT realiza la simulación del funcionamiento de los motores asíncronos trifásicos (en vacío y con carga),emitiendo un reporte minucioso y preciso en las diferentes regiones de trabajo de la máquina.Ademas nos proporciona las curvas de torque,corriente ,eficiencia y factor de potencia. 2 .-Variando el deslizamiento de 1 a 0 podemos ir variando los parámetros de los motores desde el arranque hasta su trabajo en vacio,pasando por el torque y potencia máxima (máxima transferencia de potencia). MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 3.-Queda demostrado que para un deslizamiento llamado Smax se produce una máxima potencia y por ende un máximo torque (caracteristica fundamental de las máquinas rotativas). 4.-En consecuencia,con la utilización de esta herramienta podemos evaluar a plenitud todos y cada uno de los parámetros de los motores asíncronos trifásicos. 5.-Se ha determinado que las variaciones del torque son directamente proporcionales a R2’. 6.-Finalmente este paquete computacional puede ser utilizado en la verificación de los motores asíncronos trifásicos de pequeño,mediano y gran porte. PROBLEMAS TIPOS Probema N° 1.- se tiene un motor trifasico 3 tipo jaula de ardilla de 380 voltios, 7amp, 60HZ, 1150 RPM, NEMA B, aislamiento F, utiliza un bobinado imbricado de doble capa.el motor solamente tiene tres terminales, conexión ∆ y ha sido sometido a ensayos de vacio y de corto circuito. Aplicando el metodo voltioamperimetrico al estator los instrumentos instalados midieron 12 VCC y 3.4582 Amperios, siendo la o o temb.20 C y trabajo 95 C completar la tabla de respuestas y graficos adjuntos en los dos problemas. ENSAYO EN VACIO ENSAYO ROTOR BLOQUEADO S =1.5% VRS(V) IR(A) P(W) VRS(V) IR(A) P(W) 240 2 240 60 3.8 200 280 2.4 280 80 5.3 340 320 2.9 320 100 6.7 510 360 3.5 420 120 7.4 660 400 4.5 540 SOLUCION: ( ) √ ENSAYO VACIO 3 3.5 A X 4.5 A 360 Voltios 380 Voltios 400 Voltios ENSAYO VACIO 1 CONEX. ∆ X = 4 Amperios CONEX. 1 MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 14 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 ENSAYO CORTO CIRCUITO 3 6.7 A 7 A 7.4 A 510 Vatios X 660 Vatios CONEX. ∆ X = 574.29 Vatios ENSAYO CORTO CIRCUITO 1 100 Volt. X 120 Volt. 510 Vatios. 574.29 vatios 660 Vatios X = 108.57 Voltios CONEX. DE FASE ̅̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅̅ CARATERÍSTICAS NOMINALES ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅ ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA ̅̅̅̅̅ ̅ MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 15 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅ ̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅ ̅ CARATERÍSTICAS EN EL ARRANQUE ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅̅̅̅ CARACTRÍSTICAS DEL TORQUE MAXIMO. ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 16 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 ̅ ̅ √ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ CARACTERÍSTICAS EN VACIO ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 17 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Probema N° 2.- Un motor trifásico USMTORS tipo jaula de ardilla, clase NEMA D, Ttrabajo 90°C, 440 Voltios, 60 Hz., 4 polos, conectado en Y ha sido sometido a los ensayos de rutina obteniéndose los resultados siguientes: Ensayo en vacío: Vo (Voltios) Io (Amperios) Po (Vatios) RPM 240 3.90 140 1742 280 4.40 180 1750 320 5 240 1780 360 5.6 300 1783 400 6.0 360 1786 440 6.4 420 1790 460 6.8 468 1790 480 7.5 540 1790 Ensayo de rotor bloqueado: Vcc = 146.67 Voltios, Icc = 19 Amperios, Pcc = 1249.35 Vatios. Tambiente = 26.39°C. La potencia rotacional midió 220 vatios. Cuando el motor trabajaba a plena carga se registró 1719 RPM, en éstas condiciones se le solicita hallar: 1.- El circuito equivalente monofásico valorado. 2.- Las características de funcionamiento en: Plena carga, vacío, arranque y máximo. SOLUCCION ( ) √ 0.6 ……. 1.0006 0.6832 …… X 0.7 …… 1.0012 X = 1.0011 CARATERÍSTICAS DE VACÍO ENSAYO VACIO 3 CONEX. Y ENSAYO VACIO 1 CONEX. 1 MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 18 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 ENSAYO CORTO CIRCUITO 3 Vcc = 146.67 Voltios, CONEX. Y Icc = 19 Amperios, ENSAYO CORTO CIRCUITO 1 Pcc = 1249.35 Vatios. CONEX. DE FASE ̅̅̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅̅ TREA DOMICILIARIA CARATERÍSTICAS NOMINALES CARATERÍSTICAS EN EL ARRANQUE CARACTRÍSTICAS DEL TORQUE MAXIMO. CARACTERÍSTICAS EN VACIO Probema N° 3.- El motor marca USMTORS tipo jaula de ardilla, doble jaula, clase NEMA B, Ttrabajo 90°C, 3, 380 Voltios, 60 HP, 60 Hz., 2 polos, EF 90% y FP 0.91 con 09 terminales, conexión exterior Y e interior 2 x ll, fue sometido a los ensayos de rutina encontrándose los siguientes resultados: Ensayos de vacío: Vo (Voltios) Io (Amperios) Po (Vatios) 433 27.2 2690 416 23.7 2150 398 21.4 1800 364 17.3 1370 346 15.6 1150 330 13.9 800 Ensayos a rotor bloqueado: Vcc = 58.8 Voltios, Pcc = 3800 Vatios. MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 19 MEII 01 OPERACIÓN DINAMICA NORMALIZADA IEC - 34 Antes de realizar los ensayos se midió la resistencia estatórica, entre los bornes del estator a Tamb.19°C, registrándose en los instrumentos 1.029 Vdc y 14 A dc. En vacío y plena carga se registraron 99.7 y 98.5 % de los RPMs respectivamente. En éstas condiciones se le solicita determinar: Trabajar con 04 decimales. 1. El modelo monofásico del motor tipo jaula de ardilla. 2. Las caraterísticas nominales. 3. Las caraterísticas en el arranque . 4. Las caractrísticas del torque maximo. 5. Las características en vacio Probema N° 4.- El motor marca GENERAL ELECTRIC tipo jaula de ardilla clase NEMA B, Ttrabajo 90°C, 3, 440 Voltios, 60 Hz., 2 polos, fue sometido a ensayos de rutina encontrándose los siguientes resultados: Vo (Voltios) Io (Amperios) Po (Watios) 500 30 3600 480 24.5 3200 460 20 3050 420 15.5 2550 400 13 2436 380 11.8 1915 Rotor bloqueado: Vcc = 84.15 V, Icc = 110 A, Pcc = 6013 Vatios. En el diseño del presente motor se han tomado las precauciones debidas (ALTA EFICIENCIA) de tal forma que las pérdidas rotacionales y de fricción sean despreciadas. Trabajar únicamente con 04 decimales. Trabajando con carga se registra 95 % RPMsinc. Antes de realizar los ensayos se midió la resistencia estatórica, entre los bornes del estator a Tamb.19°C, registrándose en los instrumentos 0.4423 Vdc y 7.01 A dc. Se le solicita determinar: 1. El modelo monofásico del motor tipo jaula de ardilla. 2. Las caraterísticas nominales. 3. Las caraterísticas en el arranque . 4. Las caractrísticas del torque maximo. 5. Las características en vacio Probema N° 5.- Se tiene un motor de inducción 3 de 10 HP, 60 Hz, 120 Voltios, 04 polos. Los parámetros del motor son los siguientes: R1= 0.3 (Tamb.= 18°C y Ttrab.= 90°C.), X1= 0.5, RM = 50, XM = 16, R2’= 0.2 y X2’ = 0.2 respectivamente. El motor debe ser arrancado utilizando el método Y - . Se le pide hallar: Se le solicita determinar: 1. Las caraterísticas nominales. 2. Las caraterísticas en el arranque . 3. Las caractrísticas del torque maximo. 4. Las características en vacio 5. Si la conmutación Y- se realiza a un 75% de la velocidad sincronía se le solicita hallar el torque y corriente que deja la conexión estrella y el torque y corriente con que entra el . MAQUINAS ELECTRICAS CORRIENTE ALTERNA MSC. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 20 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS COMO FUNCIONA UN MOTOR? PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Se crea un campo magnético en el estator El campo magnético induce F.E.M en el rotor Circulan corrientes por el rotor Se crean fuerzas electromagnéticas entre las corrientes del rotor y el campo magnético del estator Par en el rotor – el rotor gira El rotor gira a una nr < ns TEORIA DE LA MODULACION EN DEVANADOS PARA LOGRAR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO DE DOS VELOCIDADES La teoría de la modulación consiste en la modificación del número de polos del bobinado estatorico, según cierta ley física previamente determinada. Comenzaremos con el estudio de la f.m.m en motores asíncronos trifásico convencionales, para luego analizar, aplicamos los métodos analíticos y gráficos de f.m.m en motores asíncronos trifásicos de dos velocidades usando un solo devanado PAM. Seguidamente estudiaremos la modulación cuasi sinusoidal en sus diferentes formas. MODULACION DE LA AMPLITUD DE LA ONDA DE F.M.M EN DEVANADOS TRIFASICOS. Para realizar el estudio de la teoría de modulación tenemos los métodos analíticos y gráficos, los que veremos a continuación, METODO ANALITICO. En los motores asíncronos trifásicos las fuerzas magnetomotrices (F.M.M) están desfasados 120 grados magnéticos en el espacio y en el tiempo. Distribución espacial de F.M.M. MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS En las máquinas eléctricas pueden crearse distribuciones de F.M.M de diferentes tipos dependiendo del tipo de corriente en el bobinado. Sabemos que en un bobinado en “P grupos” por fase la F.M.M viene dado por: ( ) ∑ ( ) Por motivo de análisis consideramos solo la fundamental, entonces la F.M.M será: ( ) Sea: √ √ Reemplazando. ( ) √ ( ) La ecuación 1.5 corresponde a una onda que pulsa en el tiempo según la ley cosenoidal y que está distribuida en el espacio según la misma ley. Sean 3 ondas de F.M.M pulsantes de igual amplitud cuyos ejes desfasados 1200 eléctricos en el espacio y que las corrientes alternas que le dieron origen estén desfasados en el tiempo 120 grados siendo. √ √ ( ) √ ( ) En cada fase a, b, c habrá una F.M.M pulsantes, pues es un bobinado alimentado con corrientes alterna, los cuales se pueden expresar: MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS Fig.1.1 Bobinas estatóricas desfasadas 120 grados ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Descomponiendo cada F.M.M pulsante en dos campos giratorios tendremos: ( ( ( ) ( ) ( )( ( ) ) ( ( ) )( ( ) ) ) ( )) ( )( ) Es una onda que se desplaza en sentido positivo del eje de referencia. ( )( ) Es una onda que se desplaza en sentido negativo del eje de referencia. Por lo tanto una f.m.m pulsante puede descomponerse en dos ondas que giran en sentido opuestos con amplitudes iguales cuyo valor es igual a la mitad de amplitud de la F.M.M pulsante. Aplicando esta teoría tenemos que: MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS Fig. 1.2 descomposición de una onda pulsante en dos ondas giratorias ( ) ( ( ( ) ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Sumando (1.9), (1.10), (1.11) tenemos: ( ) ( ) ( ( ) ( ( ( ) ) ( ) ( ) ( ) ) ( ( ) ) ( ) Reemplazando (1.13) en (1.12) obtendremos: ( ) ( ) ( ) Por lo tanto de un campo magnético giratorio se puede obtener tres campos pulsantes 0 sinusoidales que están desfasados entre si y en el tiempo 120 grados. F.M.M en un bobinado trifásico En un bobinado 3 puede crearse una F.M.M giratoria si se cumple las siguientes condiciones. 0 o Las 3 fases estén desfasados en el espacio 120 grados eléctricos. o Las corrientes que circulen por las fases estén desfasados 120 grados en el tiempo. La primera condición puede cumplir si al colocar las fases en las ranuras, estas se colocan desfasados 120 grados eléctricos. Por ejemplo: teniendo un motor asíncrono trifásico de 4 polos y 36 ranuras. Cada ranura tiene un Angulo de: MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS Fig. 1.3 devanados desfasados 1200 eléctricos. Si la fase A empieza en la ranura 1, la fase B tendrá que comenzar en la ranura 7 pues porque entre 1 y 7 hay 120 grados eléctricos: la fase C comenzara en la ranura 13. La segunda condición se logra excitando el bobinado con la tensión trifásica balanceada y como el bobinado es simétrico dará lugar a corriente trifásica que tiene la forma: Fig. 1.4 desfasaje de las corrientes estatoricos. Las corrientes trifásicas están desfasados 120 grados eléctricos en el tiempo. Fig. 1.5 corrientes desfasadas en el tiempo. La F.M.M de cada fase puede expresarse en forma general como: ( ) ( ) MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Sumando las tres ondas de F.M.M tenemos: ( ) ( ( ( ) ( ) ) ( ( ) ) Desarrollando: ( ) ( ( ) ( ) ) ( ( ( ( )) ( ( ( )) ( ( ) ( ) ( ) ) ( ( ( )) ( ( ( )) )) ( ( ( ) ) ( ( ( ) ( ) ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) )) ( Sumando estas dos igualdades: ( ( )) ( ( ) ( ( )) ) ( ) ( ( )) ) ( ) En forma análoga: ( ( )) ( ( ) Reemplazando (1.22) y (1.23) en (1.18): ( ) ( ( ( ( ( ( ( ( ( El término ) ) ) ) En la ecuación (1.24) el termino contrario. ( ( )( ( ) )) ( ) ( ) )( ( ( ) )) )) ( ) ) indica el campo que gira, hacia atrás o sentido ) indica el campo que gira hacia adelante. MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS El termino es el orden del armonico de la F.M.M en un bobinado trifásico dando valores a en la expresión (1.24). Generalizando podemos decir: -los armónicos pares no existen (q constante) -los armónicos 3 y sus múltiplos tampoco existen. ( ) ( ⁄ ) 1 2,4 … 0 3,6… 0 ( ) 5 ( ⁄ ) ( ) 7 ( ⁄ ) ( ) 11 ( ⁄ ) ( ) 13 ( ⁄ ) ( ) 17 ( ⁄ ) ( ) F.M.M de un devanado trifásico -los armónicos 1, 7, 13,19 giran en sentido inverso al de la onda fundamental. -los armónicos 5, 11, 17,23 giran en sentido inverso al de la onda fundamental. ( ) ( ) ( ) Siendo k=0, 1, 2,3………n F.M.M en devanados PAM. Se sabe que las fuerzas magneto motrices están desfasados 120 grados magnéticos (grado .geométricos) En el espacio y que la componente fundamental de estas ondas periódicas pueden expresarse como ondas sinusoidales Así se tiene que las ondas de f.m.m de las tres fases son: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Donde ( ) =bobinas por grupo MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS =numero de espiras / bobina. =factor de bobinado =numero de pares de polos =angulo geometrico LA DISTRIBUCION DEL arrollamiento se supone es una secuencia ABC en la dirección del 0 crecimiento de los grupos formados tienen una distribución de 60 magneticos con una secuencia de grupos A,-C, B,-A, C,-B siempre en la dirección del decrecimiento de Si la amplitud F la F.M.M que normalmente es constante una ley de formación sinusoidal respecto siguiera una ley de formación sinusoidal respecto a , entonces se podría decir que la amplitud estaría siendo modulada .estas leyes de formación podrían ser las siguientes: ( ( ( ( ( ) ) ( ) ) ) ) Si estas ondas que modulan la amplitud de las ondas De f.m.m (1.30), (1.31), (1.32) son reemplazados en (1.26), (1.27), (1.28) respectivamente se obtiene: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Aplicando la siguiente igualdad: ( ( ) ( )) ( ) En las ecuaciones: (1.34), (1.35), (1.36) tenemos que: ( ) ( ( ) ) ( ) ( (( ) ( )) (( ) ( ))) ( ) ( (( ) ( )) (( ) ( ))) MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS ( ) ( ) (( ( )) ) (( Si ahora hacemos las ondas modulares se desfasan secuencia ABC en la dirección del crecimiento de obtenemos: ( ) ( ( ) ( ) ))) y son aplicables en ) ( ) ( (( ) ) (( ) )) ( ) ( (( ) ) (( ) )) Sabemos que: √ ( √ ( √ ( ) ) Estos valores de corriente (1.40), (1.41) y (1.42) son reemplazados en (1.37), (1.38) y (1.39). En estas condiciones, los tres primeros componentes se combinan para dar como resultado una f.m.m igual a cero quedando un campo giratorio en la dirección creciente de por combinación de los otros componentes. ) (( ) ( ) Si en cambio hacemos las ondas modulares se desfasan también 120 grados en una secuencia 120 grados en una ACB en la dirección del crecimiento de Lo que resulta que: ( ) ( ( ) ( ) ) ( ) ( (( ) ) (( ) )) ( ) ( (( ) ) (( ) )) Ahora como la secuencia será ABC tonamos las corrientes (A.5), (A.6), (A.7) que reemplazadas y realizando la superaciones convenientes. (( ) ) ( ) La ecuación 1.47 es el resultado de sumar las f.m.m de las fases en un campo giratorio con giro en sentido decreciente de METODO GRAFICO. MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 ME II 02 TEORIA DE CAMPOS MAGNETICOS Es el más sencillo de entender ya que a partir de la f.m.m de una velocidad se obtiene la f.m.m en la otra velocidad. Para su mejor entendimiento analizamos este método en dos etapas: cuando la relación de velocidades es de 2 a 1 se trata de los devanados de polos consecuentes, teniendo en cuenta que Si f1 es dado, entonces variando P se variara las velocidad síncrona y por ende la velocidad del motor Solamente nos referimos cuando utilizamos un único devanado estatórico para conseguir un motor de dos velocidades.se ha hecho esta mención pues se pueden lograr motores de dos velocidades con devanados estatórico. MAQUINAS AISNCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS TIPOS DE CONEXIONES EN MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS Existen dos tipos: Motor trifásico tipo jaula de ardilla. CONEXIONES INTERNAS Este tipo de conexiones se realizan cuando el motor se halla en el proceso del bobinado donde las cabezas de los arrollamientos no están amarrados, y por tanto se puede unir los grupos de cada fase tal como lo estipula el diseño. Existen dos tipos y son: CONEXIONES EXTERNAS Este tipo de conexiones se realizan cuando el motor se halla completamente armado, listo para la venta. Este tipo de conexiones se efectúan, en la caja de conexiones, optando un esquema determinado en el diseño de la máquina. A continuación los tipos de conexiones externas: MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Consta únicamente de 03 terminales y sus conexiones toman la forma de un triángulo, pudiendo ser en serie ó paralelo. MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS CALCULO DE LOS ARROLLAMIENTOS EN MOTORES TRIFASICOS DEVANADOS Los devanados de un motor de inducción son distribuidos en las ranuras del paquete magnético estatórico. Estos arrollamientos crearán la FMM. Los devanados están compuestos por: Espira. Bobina. Grupo. Fase. Bobinado Los devanados de un motor de inducción son distribuidos en las ranuras del paquete magnético estatórico. Estos arrollamientos crearán la FMM. Las características del bobinado trifásico entero de 24 ranuras: MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Desfasaje. Paso. Polo. Número de ranuras por polo y fase (q). … Entero y fraccionario. Tipos de bobinados : Concentrado y distribuido. De una y doble capa. Mixto, ondulado, imbricado FACTOE DE BOBINADO PASO: es la diferencia entre los números de ranura (hipotético) en los cuales son colocados los lados de la bobina. El paso puede ser. PASO COMPLETO (YC) si el paso es igual al intervalo polar. Donde: P: números de polos. S1: numero de ranuras estatoricas PASO RECORTADO (Y) facilita la colocación de las bobinas, se ahorra alambre esmaltado en el bobinado y mejora las características de las maquinas eléctricas rotativas. MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 5 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS NUMEROS DE RANURAS POR POLO Y FASE (q) una característica muy importantes de todo bobinado de corriente alterna es el numero de ranuras que ocupa una fase por polo. Donde: m: números de fases . qentero:cada grupo del bobinado tendrá el mismo número de bobinas en serie. . qfraccionario:los grupos del bobinado tienen un numero desigual de bobinas en conectadas en serie. . Factor de bobinado (kp): es el indicador menor que la unidad. Que reúne dos conceptos teniendo en cuenta que las fuerzas electromotrices de los diferentes radio vectores están desfasados entre si y se componen verticalmente. . Factor de paso (Kw): nos da la idea de la cantidad de flujo concatenado por una bobina; cuando el yc= y sucede (kp=1), esto indica que se habrá concatenado todo el flujo. ( ) . Factor de distribución (Kd): aparece en un grupo de bobinas que no tienen el mismo eje magnético debido a que la tensión inducida en el grupo de bobinas es menor que la suma aritmética de la tensión inducida en cada bobina. Donde: ( )( ) CONCENTRICO: es un bobinado distribuido donde las bobinas individuales de cada fase por polo son concéntricas y tienen pasos diferentes. En los bobinados concéntricos kd=1, debido a que el grupo de bobinas tienen el mismo eje magnetico por tanto solo se tendrá que realizar el cálculo del factor de paso: MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Donde: N1: números de vueltas de la bobina 1 Y1: paso de la bobina 1 Yi: paso promedio. NN: números de vueltas de la bobina N. YN: paso de la bobina N. Pero sabemos que los arrolla en maquinas asíncronas trifásicas el número de vueltas de todas las bobinas son iguales por tanto podemos afirmar que: Reemplazando este valor en el paso promedio tenemos: Donde: n:es el numero de bobinas en serie CONEXION DE GRUPOS DE BOBINAS DE MOTORES TRIFASICOS DE 2 POLOS MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS CONEXION DE GRUPOS DE BOBINAS DE MOTORES TRIFASICOS DE 4 POLOS MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS CALCULO DE LOS ARAROLLAMIENTOS EN MOTORES TRIFASICOS 1. PARAMETROS ELECTRICOS.- cuando por algún motivo se tienen que cambiar los parámetros originales de una maquina rotativa, resulta de mucha importancia comprobar la potencia nominal de la maquina rotativa, resulta, de muchas importancia comprobar la potencia nominal de la maquina con el nuevo bobinado ya que podemos dimensionarlo conociendo sus medidas geométricas. DIMENSIONAMIENTO DE LA MAQUINA. 2 Método D L Dónde. HP:potencia nominal EF:eficiencia (catalogo del fabricante) D:diámetro interno del estator(m) L:longitud del paquete magnetico (m) Bg:inducción magnetica en el entrehierro (tesla). Ke: factor de caída de tensión acondiciones A1: densidad lineal (ver tabla) ns:velocidad síncrona KW :factor de bobinado. La tensión aplicada a una fase se relaciona con la tensión inducida por el siguiente factor. Donde Ke depende de la potencia y del numero de los polos del motor,pero como la potencia (parámetros de dimensionamiento)depende directamente del diámetro externo del estator (De) es que Ke=f(De,p). Método DL MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Dónde. ACU = K u. A ranura. ACU = Z u. A cu. 2 ACU son el área de cobre neta por ranura (mm ) y Kcu es factor de utilización de ranura. S1: numero de ranuras estatoricas Acu: área neta de los alambres en mano. Corriente nominal de línea (de placa √ 2. PARAMETROS MAGNETICOS.-las fuerzas magnéticas resultante están desfasados 0 en 120 en el espacio y la componente fundamental de estas ondas periódicas pueden expresarse como ondas sinuosoidales.la ecuación de f.e.m inducida por fase (ley de fardada) en los devanados se deduce que: Dónde. Ef=f.e.m inducida por fase en voltios. N1=#de vueltas en serie de la fase. p=flujo por polo. D=diámetros interno del estator (m) Bg=Inducción magnética en el entrehierro (tesla) Vf=tensión de fase en voltios. F=Frecuencia (Hz) KW =factor de bobinado. AP=Área por polo. L=longitud. Paquete magnético. (m) P=# de polos. 3. INDUCCION EN EL ENTRE HIERRO (BGmax) Dónde. S1:#de ranuras en el estator. A: factor de conexión. Z1:#total de conductores por ranura. Los motores asíncronos se fabrican con: 0.6<BGMAX<1.0 tesla El número total de conductores por ranura “Z1” de un motor puede ser estimado suponiendo BGMAX=0.8 tesla y reemplazando este valor en la ecuación (4) MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Conociendo el flujo máximo por polo de la maquina podemos encontrar las inducciones en el diente y corona. 4. INDUCCION EN EL DIENTE (BD Max) Dónde. T1: ancho del diente (m) El factor de apilamiento es 0.95 Experimentalmente se ha encontrado que los valores permisibles de las inducciones en diente son: 1.5<BD MAX<1.9 tesla. 5. INDUCCION EN LA CORONA (BC Max) Dónde. C1: ancho del diente (m) Los fabricantes de maquinas rotativas recomiendan utilizar las siguientes inducciones en la corona. 1.5<Bc MAX<1.8 tesla. Experimentalmente se ha encontrado que las inducciones máximas permisibles en motores eléctricos, dependiendo del material ferro magnético estatorico (por ejemplo si se usa acero H23 al silicio) son los siguientes: 6. PARAMETROS TERMICOS.-los parámetros térmicos nos dan la información sobre el calentamiento de los bobinados y por ende del motor. DENSIDAD DE CORRIENTE (J) MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS La densidad de corriente debe elegirse teniendo en cuenta la selección de la clase de aislamiento a usarse. Experimentalmente se tienen los resultados de la tabla. DENSIDAD LINEAL DE CORRIENTE (A).-la corriente distribuida en todo el entrehierro es igual a (IC.S1.Z1), siendo y si a esta magnitud la dividimos entre la longitud del entrehierro tendremos el concepto de densidad lineal. D: Diámetro interno del estator en cm. Cada uno de estos parámetros aisladamente tiene una influencia sobre las características electromagnéticas de la maquina. Pero el producto de ambos ejerce efecto decisivo sobre el calentamiento de los bobinados, tomandose como un índice seguro de la sobre elevación de temperatura. Los valores recomendables de Q constituyen una información para la previsión del calentamiento, siendo estos datos enteramente empíricos (producto de la experiencia) o Y suelen ubicarse en la tabla n 4. 7. CAMBIOS DE TENSION, FRECUENCIA Y POLARIDAD. Cambio de la tensión nominal del motor.-se considera que no se altera el tipo de bobinado, por tanto, las características del mismo seguirán siendo las mismas. Solo se cambiara el numero de vueltas por bobinado ,y la sección del alambre en mano , en este caso aplicar las siguientes relaciones. Dónde. Z1:#total de vueltas en la ranura antigua. #Total de vueltas en la ranura nueva. VL: tensión de la red antigua en voltios. Tension de la red nueva en voltios. 2 ACU: área de cu neto antigua en mm . 2 Area de cu neto nueva en mm Encontrados los nuevos parámetros chequear la potencia del motor (no debe variar) MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 ME II 03 TEORIA DE BOBINADOS TRIFASICOS Cambio de frecuencia de la red.-en este caso la tensión de la red y el tipo de bobinado seguirán los mismos (manteniendo constante los parámetros magnéticos y densidad de corriente).al cambiar la frecuencia se debe cumplir. HP: potencia en el eje antiguo. F: Frecuencia de la red antigua. I HP : potencia en el eje nuevo. I F : frecuencia de la red nueva. Cambiando la polaridad del motor.- si por algún motivo se cambia la velocidad del motor y se mantiene constante la tensión, frecuencia, y tipo de bobinado, entonces, seguir los siguientes pasos. a) Utilizando los métodos de dimensionamiento, calcular la nueva potencia de la maquina. b) Por el diseño antiguo del entrehierro, se recomienda hacer este cambio cuando I I los RPM deseados sean menor que los RPM ya establecidos (RPM > RPM). c) Con esta nueva polaridad verificar los parámetros magnéticos, especialmente las inducciones en los dientes y corona de la maquina. d) Verificar la compatibilidad de ranuras del estator (s1) y del rotor (s2) con la nueva polaridad. Si todos estos pasos se han cumplido, proceder al cálculo de los demás parámetros que permitan la realización completa de la reparación. Finalmente verificar la nueva potencia nominal utilizada: MAQUINAS ELECTRICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES INTRODUCCION En la Reparación y Mantenimiento Integral de Máquinas Eléctricas industriales nos encontramos con mucha frecuencia que las partes dañadas de los motores son escencialmente los rodamientos y bobinados. En consecuencia, a continuación presentaremos los procedimientos técnicos que nos permitan solucionar el problema en forma integral de los BOBINADOS. Cuando el bobinado ORIGINAL estatórico se halla deteriorado resulta imprescindible tomar los datos de los bobinados tales como: - Paso. - # de terminales. - Tipos de alambres. - # de grupos, etc., etc. Según las estadísticas de las reparaciones realizadas, la ejecución de los rebobinados pueden agruparse en tan solo cuatro casos que son los siguientes: LOS MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS PRESENTAN LOS SIGUIENTES CASOS 1.- El motor trifásico se ha quemado y tiene todos los datos de placa. 2.- El motor trifásico solo tiene los datos de placa (no existe el bobinado). 3.- El motor esta totalmente quemado y no tiene los datos de placa. 4.- El motor trifásico se halla completamente desnuda y sin dato de placa. MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 1 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES FORMULACION PARA EL CÁLCULO DE: PARAMETROS MAGNETICOS 1. INDUCCION EN EL ENTREHIERRO (Bg) Bg = 0.38 x P x V x a / D x L x F x S1 x Kb x Z1 2. INDUCCION EN EL DIENTE (Bd) Bd 3. Tesla = x D x Bg / T1 x S1 x 0.95 Tesla INDUCCION EN EL ENTREHIERRO (Bg) Bc = D x Bg / p x C1 x 0.95 Tesla PARAMETROS ELECTRICOS 1. DENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA ( J ) J = IL / a x SC 2. DENSIDAD LINEAL ( A ) A = S1 x Z1 x IL / a x x D 3. Amp mm2) Amp / cm. POTENCIA NOMINAL (HP, KW) HP = 3 x V x I x FP x EF / 746 KW = 3 x V x I x FP x EF 4. CORRIENTE NOMINAL (Amperios) MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 2 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES IL = 746 x HP / 3 x V x I x FP x EF IL = KW / 3 x V x I x FP x EF LEYENDA: De = Diámetro externo del estator (m). IL = Corriente de línea (Amperios) SC = Sección neta del conductor de los alambres en mano p = Numero de polos V = Tensión nominal en voltios a = Factor de conexión D = Diámetro interno del estator (m) L = Longitud del paquete magnético (m) S1 = Número de ranuras estatóricas Z1 = Numero de vuelta total de conductores por ranuras T1 = Ancho del diente (m) C1 = Altura de la corona (m) Kb = Factor de bobinado CÁLCULOS DEL FACTOR DE BOBINADO q = # BOBINAS / GRUPO = S1 / m p - Yc = S1 / P Y = (5/6) Yc = P x 360 / 2 x S1 BOBINADO IMBRICADO: Kb = kp x kd Kp = Sen {(Y /YC) 90° } Kd = Sen (q / 2) / q SEN ( / 2) MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 3 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES BOBINADO INBRICADO: Kb = kp x kd (kd = 1) Kp = Sen {(YI /YC) 90°} Yi = (Y1 + Y2 + Y3 + ... + Yn) / n Paso promedio BOBINA GRUPO DE BOBINAS DIMENSIONAMIENTO DE LA MAQUINA 1.- METODO DL HP = 4.96E-5 EF . FP . SI . D . L . Acu J1 Kb . Bg . Ns 2.- METODO D2L HP = 1.558E-4 . EF . FP . A1 . Kb . Bg . Ns . D2L / Ke MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 4 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES 3.- METODO DᵌL 4.- ELEMENTOS FINITOS LEYENDA: Acu = Z1 acu siendo acu el area neta de los alambres en mano. J1 = DENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA Ns = VELOCIDAD SINCRONA A1 = DENSIDAD LINEAL (VER TABLA 8) Ke = FACTOR DE CAIDA DE TENSION A CONDICIONES NORMALES. Ke = (0.93 ..... 0.98) Ke (práctico) = 0.95 SOLUCION PROBLEMAS - BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES PROBLEMA TIPO N° 1.EL MOTOR TRIFASICO SE HA QUEMADO (contiene todos los datos de placa) Inspeccionado el bobinado del motor, éste, se halla completamente quemado en consecuencia se tiene que eliminarlo pero antes de hacerlo se tiene que tomar los datos siguientes: DATOS DE PLACA : Potencia = 50 HP Tensión = RPM = 3540 Fases EF = 89% FP 380 Voltios Corriente = 70 Amperios = 3 Frecuencia = 60 Hz. = FS = 1.15 0.9 DATOS DEL BOBINADO : Polos = 2 Capas = Conexión exterior = Triángulo Tipo bobinado = Imbricado Conexión interior = 2 x paralelo Paso = 1 - 22 N° de terminales = 6 N° de alambres = MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE 2 3 AWG # 16 Page 5 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Grupos = 6 Cables salida = 10 mm² Bobinas serie = 8 Vueltas por bobina = 7 DATOS GEOMETRICOS DEL ESTATOR : Se procede a retirar los alambres esmaltados y se procede a tomar las siguientes medidas geométricas: L = 160 mm. T1 = 7 mm. D = 200 mm C1 = 54 mm De = 315 mm S1 = 48 CALCULO DE LOS PARAMETROS MAGNÉTICOS: BG = 0.38 . p . VL . a / D . L . F . Z1 . S1 . Kb BG = 0.38 . 2 . 380 . 2. 3 / 0.200 . 0.160 . 60 . 48 . 14 . 0.94 BG = 0.8249 Tesla. Bd = . D . BG / T1 . S1 . 0.95 Bd = . 200 . 0.8249 / 7. 48 . 0.95 = 1.6237 Tesla. Bc = D . BG / C1 . p . 0.95 Bc = 200 . 0.8249 / 54 . p .0.95 = MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS 1.6079 Tesla. ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 6 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES CALCULO DE LOS PARAMETROS TERMICOS: J = IL / a . SCU J = 70 / 2 . 3 . 3 . 1.3076 = 5.16 Amperios / mm². A = IL . S1 . Z1 / a . . D J = 70 . 14 . 48 / 2 . 3 . . 20 = 216.12 Amperios / cm. Q = J.A Q = 5.16 . 216.12 = 1115.2 1800 OK Esquema de conexión de grupos y fases de bobinas de motores trifásicos PROBLEMA N° 2.EL MOTOR TRIFASICO TIENE SOLO LOS DATOS DE PLACA (no existe el bobinado) MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 7 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Se toman los datos de palca después de haber Inspeccionado la carcaza del estator del motor. EL BOBINADO NO EXISTE . DATOS DE PLACA : Potencia = 5 HP Tensión = 220 Voltios RPM = 3450 Fases = 3 Frecuencia = 60 Hz. EF = 82% FP = FS 0.843 Corriente = 13.6 Amperios = 1.15 De los datos de placa podemos elegir los parámetros del bobinado siguientes DATOS DEL BOBINADO: Polos = 2 Conexión exterior = Estrella Conexión interior = Serie Cargas pesadas: N° de terminales = 6 Cargas livianas: Y Capas = 2 Tipo bobinado = Imbricado S1 = 18 Sabiendo que el: Dado la experiencia del calculista: # Bobinas = S1 = 18 • # Grupos = 3 . p = 3 . 2 = 6 • q = # bobinas / Grupo = 18 / 6 = 3 • Calcular el Factor del bobinado ( Kb ) Yc = S1 / p = 18 / 2 = 9 Y = ( 5 / 6 ) Yc = ( 5 / 6 ) . 9 = 7.5 7 ( 1 - 8 ) 8 ( 1–9 ) @ El ángulo eléctrico ´ = ( p / 2 ) 360 ° / S1 MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 8 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Para el caso ´ = 20° @ ver análisis de armónicos paso elegido Kb = Kp . Kd Kp = Sen ((Y/Yc) . 90°) = Sen ((7/9) . 90°) = 0.891 Kd = Sen (q.´/2) / q.Sen (´/2) = Sen (3.20°/2) / 3 . Sen (20°/2) Kd = 0.9598 Kb = 0.855 Amax = 95 V / AWG # 18 = 95 . 0.9393 = 89.2 mm² DATOS GEOMETRICOS DEL ESTATOR: Se procede a retirar los alambres esmaltados y se procede a tomar las siguientes medidas geométricas : L = 90 mm. Di = 88 mm De = .... Mm T1 = 7.5 mm. C1 = 21.3 mm S1 = 18 CALCULO DEL # DE CONDUCTORES Z1 Bd = . D . BG / T1 . S1 . 0.95 = 1.8 Tesla . 1.8 = . 88 . BG / 7.5 . 18 . 0.95 BG = 0.8350 Tesla. 0.835 = 0.38 . p . VL . a / D . L . F . Z1 . S1 . Kb 0.835 Z1 = 0.38 . 2 . 220 . 1 / 0.088 . 0.090 . 60 . 18 . Z1 . 0.855 = 27.38 MATERIALES AISLANTES DENTRO DE UNA RANURA ESTATORICA MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 9 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES ESPESOR PESO mm Gr. SIRVE PARA MAQUINAS ROTATIVAS DE ……. HP. CARTURCHO TEJA SEP. MED. CANAL SEP.CAB. BOBIN. … hasta 3 0.14 150 0.18 190 …… 0.5 0.23 255 0.5 A 15 0.5 A 15 16 A 60 0.35 430 16 16 60 A 100 0.45 560 100 A 310 A ……. 0.5 100 100 A 3 A 16 100 A 310 100 A 310 …. 0.5 0.5 ….. 15 16 A 100 100 A 310 Con este dato puedo elegir dos valores de Z1 : 26, 28, 30 .. Etc. Para motores menores de 5 HP se recomienda trabajar con densidad de flujo inferior a 0. 8 Tesla y por tratarse de un motor pequeño y de dos polos. Por este motivo es que elegimos Z1 = 30 vueltas. BG (Z1 = 30) = 0.7621 Tesla. CÁLCULO de Bd y Bc: Bd = . D . BG / T1 . S1 . 0.95 = 1.7478 Tesla. Bc = D . BG / C1 . p . 0.95 = 1.6571 Tesla. CÁLCULO DE LOS ALAMBRES EN MANO (ALMANO): ALMANO = Amax. / Z1 = 89.2 /30 = 2.9733 mm² Elijo : 2 x AWG# 17 + 1 x AWG# 20 2 x 1.1797 + 1 x 0.6086 = (con área aislada) 2.968 mm² . OK Luego el alambre en mano desnuda esta conformada por: ALMANO = 2 x AWG# 17 + 1 x AWG# 20 Scu = 2 x 1.0398 + 1 x 0.5186 = 2.5982 mm² (desnudo) CALCULO DE LOS PARAMETROS TÉRMICOS: MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 10 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES J = IL / a . SCU = 5.234 Amperios / mm². A = IL . S1 . Z1 / a . . D = 265.64 Amperios / cm. Q = J . A = 1390.4 1800 OK CALCULO DE LOS BOBINADOS TRIFASICOS Luego nos quedamos con Z1 = 30 Vueltas. Esto implica que cada bobina estará CALCULO DE LOS CABLES DE SALIDA : HM conformada por 15 vueltas (Z1 / 2 = 15 Vueltas). Confeccionamos el esquema de conexión de grupos y fases del bobinado y en el analizamos los cables de salida de la forma siguiente. C A B A B C A A 1 6 2 4 3 5 Escojemos una fase y cuantificamos la conformación HM de los alambres esmaltados como sigue : CONEXION GRUPOS DE BOBINAS DE MOTORES A A de Conexión de gruposDE bobinas de motores trifásicos de 2 polos TRIFASICOS DE 2 POLOS 2 x AWG # 17 + 1x AWG # 20 ( con área desnuda ) 2 x 1.0398 + 1 x 0.5186 = 2.5982 mm² C A B A B C 12 TERMINALES Luego : Area cables de salida 2.5982 mm². 1 1 - YY - - Y 4 4 12 9 2 5 De la3 tabla de11cables se utiliza de 4 mm² 7 6 8 10 CALCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS C A B ING. HUBER MURILLO M A B C 09 TERMINALES YY - Y 1 4 9 2 C A 5 7 B 3 A 6 8 B C 06 TERMINALES A A 1 6 2 4 3 ARRANQUE Y- 5 CALCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS ING. HUBER MURILLO M CALCULO DE LOS CABLES DE SALIDA: Confeccionamos el esquema de conexión de grupos y fases del bobinado y en el analizamos los cables de salida de la forma siguiente: MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 11 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Escojemos una fase y cuantificamos la conformación de los alambres esmaltados como sigue: 2 x AWG # 17 + 1x AWG # 20 (con área desnuda) 2 x 1.0398 + 1 x 0.5186 = 2.5982 mm² Luego: Area cables de salida 2.5982 mm². De la tabla de cables se utiliza de 4 mm² La figura adjunta conforma la conexión estrella con 06 terminales. Generalmente este tipo de conexiones son utilizadas en arranque directo para motores cuya potencia es inferior a 10 HP. Para el mismo motor calcular un bobinado en conexión triángulo, donde a = 3. Tarea domiciliaria. PRESENTACION PROXIMA CLASE PROBLEMA N° 3.EL MOTOR TRIFASICO ESTA QUEMADO (no tiene los datos de placa) I.- PROCEDEMOS A EXTARER LOS DATOS DEL MOTOR: DATOS DEL BOBINADO: Polos = 2 Capas = 2 Conexión exterior = Triángulo Tipo bobinado = Imbricado Conexión interior = 2 x paralelo Paso = 1 - 22 N° de terminales = 6 N° de alambres = 3 AWG # 16 Grupos = 6 Cables salida = 10 mm² MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 12 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Bobinas serie = 8 Vueltas por bobina = 7 DATOS GEOMETRICOS DEL ESTATOR: Se procede a retirar los alambres esmaltados y se procede a tomar las siguientes medidas geométricas: L = 160 mm. D = 200 mm De = 315 mm T1 = 7 mm. C1 = 54 mm S1 = 48 II.- CÁLCULOS PREVIOS A REALIZAR: CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL MOTOR A.- Del # de polos obtenemos los RPMs En este caso para 02 polos RPMs = 3600 RPM RPMn = ( 0.98 …….. 0.99 ) RPMs PRMn = 3546 B.- Las tensiones nominales en BT en nuestro país son: 220/380/440 Voltios Para verificar éstos parámetros (se consulta con el usuario). C.- N° de fases: 3 (sistema trifásico) D.- EF y FP Se consulta con los catálogos del fabricante. Caso contrario se asume: FP x EF = 0.8 E.- Frecuencia 60 Hz F.- Factor de servicio FS = 1.1 ó 1.15 (Consultar con norma AGMA) G.- Corriente Nominal: J = IL / a Scu. () Asumimos un J = 5 Amp / mm² a = 2 3 Scu = 3 x AWG # 16 ( # de alambres dato del bobinado ) MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 13 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Scu = 3 x 1.0376 = 3.9228 mm² Reemplazando en tenemos: IL = 5x 2 3 x 3.9228 = 67.95 Amp. H.- Potencia nominal KW = IL x 3 x V x EF x FP = 67.9 x 3 x 380 x 0.8 KW = 35.75 HP = 48 III.- CALCULOS DE LOS PARAMETROS MAGNETICOS: (ya han sido calculados en el problema N° 1) Bg = 0.8246 Tesla Bd = 1.6237 Tesla Bc = 1.6079 Tesla IV.- CALCULOS DE LOS PARAMETROS TÉRMICOS: J = 5 Amp / mm². A = (IL = 67.95 Amp.) 237.42 Amp./ cm. Q = JxA = 1187 ≤ 1800 OK TRIFASICOS 06 TERMINALES V.- DATOS FINALES DEL BOBINADO: Polos = 2 Conexión exterior = Triángulo Conexión interior = 2 x paralelo N° de terminales = 6 Grupos = 6 Bobinas serie = 8 Vueltas por bobina = 7 Capas = 2 Tipo bobinado = Imbricado Paso = 1 - 22 N° de alambres = 3 AWG # 16 Cables salida = 10 mm² VI.- ESQUEMA DE CONEXION DE GRUPOS Y FASES DE BOBINAS DE MOTORES MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 14 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES PROBLEMA N° 4.EL MOTOR TRIFASICO SE HALLA COMPLETAMENTE DESNUDO Y SIN NINGUNA DATO DE PLACA CALCULO DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES TRIFASICOS El problema surge cuando no se conoce ningún dato del motor, entonces comenzaremos con el cálculo de la potencia y es como sigue : - Método DL Acu S1 Acu HP = 4.96E-5. EF. FP. S1. D. L. Acu. J1. KW. BG. ns = Ku Aranura = Número de ranuras estatóricas. = Z1 . acu acu es el área neta de los alambres en mano. Kcu es factor de utilización de ranura Kw = Factor de bobinado. D = Diámetro interno del estator (m) L = Longitud del paquete magnético (m) Bg = Inducción magnética en el entrehierro (Tesla) J1 = Densidad de corriente (Amperios / mm²). Ns = Velocidad síncrona en RPM. MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 15 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Corriente nominal de línea (de placa IL = KW / (3 . VL . FP . EF) Amp DATOS GEOMETRICOS DEL ESTATOR: Se procede a retirar los alambres esmaltados y se procede a tomar las siguientes medidas geométricas: DATOS GEOMETRICOS L = 160 mm. D = 200 mm De = 315 mm Amax = 40 V / AWG # 15 T1 = 7 mm. C1 = 54 mm S1 = 48 Acu = 40 x 1.65 = 66 mm² (área de cobre desnuda) CALCULO DEL # DE POLOS Y VELOCIDAD SINCRONA: p = D . BG / C1 . Bc . 0.95 p = 1.83 2 RPMs = 120 . F / p RPMs = 3600 RPM DATOS PROMEDIOS DE LOS PARAMETROS TECNICOS SIGUIENTES: J1 = 5 Amp /mm² Kw = 0.94 ns = 3600 RPM Bg = 0.8 EF = 88 % FP = 0.91 (cuando h = 180 mm). CALCULO DE LOS HP: HP = 4.96 E-5 x 0.88 x 0.91 x 48 x 0.2 x 0.16 x 66 x 0.94 x 4 x 0.8 x 3600 = 54.5 CALCULO DE LA CORRIENTE NOMINAL IL = 54.5 x 746 / 3 . 380 . 0.88 . 0.91 = 77 Amperios. A CONTINUACION EL PROBLEMA N° 4 SE COMVIERTE EN UN PROBLEMA N° 2, EL CUAL YA ES CONOCIDO POR UD. CALCULO DE LOS PARAMETROS MAGNETICOS: MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 16 MEII 02.BG = 0.8248 Tesla. CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Bd = 1.6235 Tesla. Bc = 1.6078 Tesla. J = 5.66 Amperios / mm². A = 237 Amperios /cm. Q = 1341 OK. DATOS FINALES DE PLACA: Potencia = 54.5 HP Tensión = 380 Voltios Fases = 3 Corriente = 77 Amperios RPM = 3540 Frecuencia = 60 Hz. EF = 89% FP = 0.9 FS = 1.0 DATOS FINALES DEL BOBINADO: SOLAMENTE PARA EL BOBINADOR Polos = 2 Conexión exterior = Triángulo Conexión interior = 2 x paralelo N° de terminales = 6 Grupos = 6 Bobinas serie = 8 Vueltas por bobina = 7 Capas = 2 Tipo bobinado = Imbricado Paso = 1 - 22 N° de alambres = 3 AWG # 16 Cables salida = AWG # 8 CALCULO DEL FACTOR DE SERVICIO Consiste en disponer de las normas AGMA – NEMA sobre los SF. Si deseo contar por ejemplo con un factor de servicio ( FS = 1.15 ), procedemos como sigue: FS = Idiseño / Inominal FS = 1.15 Inominal = Idiseño /1.15 Inominal = 77 / 1.15 Inominal = 67 Amperios Luego la potencia nominal es: MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 17 MEII 02.KW = CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES 3 . 380 . 0.88 . 0.91 . 67 KW = 35.3 (HP = 47.3 ) PROBLEMA N° 5.EL MOTOR TRIFASICO SE HALLA COMPLETAMENTE DESNUDO Y SIN NINGUN DATO DE PLACA El problema surge cuando no se conoce ningún dato del motor, entonces comenzaremos con el cálculo de la potencia y es como sigue: - Método DL HP = 4.96E-5. K. S1. D. L. Acu. J1. Kb. BG. ns K = EF . FP / Ke Acu = Kcu Aranura S1 Acu = = Número de ranuras estatóricas. Z1 . acu ranura acu es el área neta de los alambres en mano. Kcu es factor de utilización de ranura Kb = Factor de bobinado. D = Diámetro interno del estator (m) L = Longitud del paquete magnético (m) Bg = Inducción magnética en el entrehierro ( Tesla) J1 = Densidad de corriente (Amperios / mm²). Ns = Velocidad síncrona en RPM. Corriente nominal de línea (de placa) IL = KW / (3 . VL . FP . EF) Amp DATOS GEOMETRICOS DEL ESTATOR: L = 500 mm. D = 315 mm De = 500 mm T1 = 11.8 mm. C1 = 45.5 mm Amax = 106 V / AWG # 13 S1 = 48 (área de cobre aislada) CALCULO DEL # DE POLOS Y VELOCIDAD SINCRONA: MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 18 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES p = D . BG / C1 . Bc . 0.95 p = 3.43 4 polos con Bc = 1.7 Tesla y Bg = 0.8 Tesla. RPMs = 120 . F/ p RPMs = 1800 RPM DATOS SOLICITADOS AL CLIENTE Y DEFINIDOS DADO LA EXPERIENCIA V = 380 VOLTIOS, 60 HZ BOBINADO IMBRICADO DOBLE CAPA Conexión externa delta Conexión interna 4 x paralelo a = Δ Δ Δ Δ = 4 x 1.7321 Bg = 0.8 Tesla (Acero al silicio) p = 4 polos CALCULO DE LOS PARAMETROS MAGNETICOS: CALCULO DE Z1 0.8 = 0.38 . 4 . 380 . 4 x 1.7321/ 0.315 x 0.5 x 60. Z1. 48. 0.925 Z1 = 11.92 (Z1 debe ser entero y par) Hacemos el ajuste de Z1 por tanteo. BG = 0.7947 Tesla. Bd = 1.4616 Tesla. BG = 0.9536 Tesla. Bd = 1.7536 Tesla. Bc = 1.4478 Tesla. Para Z1= 12 BC = 1.7374 Tesla. Para Z1= 10 CALCULO DE LOS ALAMBRES EN MANO (ALmano): ALMANO = Amax./ Z1 = 304.1 / 10 = 30.41 mm² Elijo: AWG# 14 30.41/2.2848 = 13.31 13 x AWG# 14 = 13 x 2.2848 = 29.7 mm² (Area con aislamiento) 13 x AWG# 14 = 13 x 2.0819 = 27.065 mm² (Area neta) CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL: Datos previos MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 19 MEII 02.FP = 0.87 CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES EF = 0.933 esto con H = 315 mm K = 0.87 x 0.933 / 0.988 = 0.8216 Ke = 0.988 con DE Y P = 4 Tabla HM01 FACTOR DE CAIDA DE TENSION Ke De(m) 0.8 0.1 0.125 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.7 P=2 0.972 0.974 0.977 0.978 0.981 0.983 0.985 0.987 0.988 0.99 P=4 0.944 0.95 0.958 0.963 0.97 0.973 0.976 0.98 0.983 0.988 P=6 0.913 0.926 0.94 0.945 0.955 0.962 0.968 0.973 0.977 0.983 P=8 0.86 0.88 0.9 0.91 0.93 0.94 0.95 0.96 0.966 0.973 ALTURA EJE - BASE H (mm) 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 De (mm) 0.122 0.139 0.157 0.175 0.197 0.233 0.285 0.322 0.359 0.406 0.452 0.52 0.59 0.66 0.74 0.85 FACTOR DE UTILIZACION DE RANURA Kcu Tipo de ranura Trapaezoidal ó cuadrada Ovalada Devanado Simple capa Doble capa Simple capa Doble capa Kcu 0.36 … 0.30 … 0.40 … 0.36 … 0.43 0.40 0.48 0.43 Acu = Z1 x Acu (ALmano) = 10 x 27.065 = 270.065 mm² J = 2.5 … 3.5 Amp./ mm² Por el tamaño del motor elijo 3 Amp./ mm² Reemplazando en HP - Método DL HP = 4.96E-5. K. S1. D. L. Acu. J1. KW. BG. Ns HP = 4.96 E-5 x 0.8216 x 48 x 0.315 x 0.5 x 270.65 x 3 x 0.925 x 0.9536 x 1800 HP = 397 KW = 296 CALCULO DE LA CORRIENTE NOMINAL IL = 397 x 746 / 3 . 380 . 0.87 . 0.933 = 554 Amperios. CALCULO DE LOS PARAMETROS TERMICOS: J = IL / a . SCU = 554 / 4 x3 x 270.7 = 2.95 Amperios/mm². A = IL.S1.Z1 / a. .D = 554 x 10 x 48 /(2 x3 x x 31.5) = 388 Amperios /cm. MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 20 MEII 02.- CÁLCULO DE BOBINADOS TRIFASICOS REGULARES Q = J . A = 2.95 x 388 = 1145 1800 OK LISTOS PARA LA PRÁCTICA CALIFICADA MAQUINAS ASINCRONAS TRIFASICAS ING. HUBER MURILLO MANRIQUE Page 21 PARAMETROS PRINCIPALES EN CA En los sistemas eléctricos de CORRIENTE ALTERNA ( CA ), se presentan SOLAMENTE los siguientes parámetros principales: Parametro Unidades TENSION CORRIENTE FRECUENCIA VOLTIOS AMPÉRIOS HERTZ Los demás parámetros, tal como la potencia, resistencia, son derivados. ACTIVOS.- Son los que PROVEEN ENERGIA eléctrica a los diversos circuitos y son: DC- Baterías y conversores AC/DC y AC - G.S. PASIVOS.- Son los que ABSORVEN energía eléctrica y son: R, L, C. Mixtas y semiconductores, entre otros. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELECTRICO 1. Fuente de tensión Entrega energía 2. Receptor ó carga Consume energía 3. Interruptor Abre o cierra circuitos 4. Conductor Transporta la energía INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TRANSFORMADORES • Cuando un transformador es energizado, absorbe de la red una corriente INRUSCH muy elevada. • El valor de esta corriente depende: • De las características del circuito magnético y de los arrollamientos (sección del núcleo, inducción nominal, número de espiras, disposición y dimensiones de las bobinas, etc.) • De las prestaciones de las chapas magnéticas utilizadas (inducción remanente e inducción de saturación correspondiente al núcleo) • Del estado magnético del circuito y del valor instantáneo de la tensión alterna de la red en el momento de la conexión. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TRANSFORMADORES I 15 a 25 In La corriente de INRUSCH (inserción) que puede alcanzar: De 15 a 25 veces la corriente nominal para potencias entre 5 a 500 kVA. Tiene una duración entre 2 a 10 ciclos (30 a 150 ms). t 2 a 10 ciclos INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M GENERADORES SINCRONOS GENERADORES SINCRONOS Por lo tanto, cuando un generador es puesto en cortocircuito la corriente es limitada por su impedancia de cortocircuito ICC G G Sn 100 3 U x" d ICC Sn X’’d % U 100 In x" d Si x”d = 30% ICC ICC ICC 3.3In Norma VDE 102 -1 -2 INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MAQUINAS ELECTRICAS ASINCRONAS LAS MAQUINAS ELECTRICAS Las máquinas eléctricas, COMVERSORAS DE ENERGIA, utilizadas en las instalaciones industriales, comerciales y domésticas, cumplen también una función muy amplia e importante. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MOTORES ASÍNCRONOS TIPO JAULA DE ARDILLA MOTORES ASÍNCRONOS O JAULA DE ARDILLA • La gran mayoría de las ... máquinas son movidas por motores asíncronos, alimentados con corriente alterna trifásica. • Se impone en la mayoría de las aplicaciones por lo ventajoso de su precio, su robustez y su fácil mantenimiento • Su uso alcanza aproximadamente M el 90% de las aplicaciones 3 industriales con motores eléctricos. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MOTORES ASÍNCRONOS TIPO JAULA DE ARDILLA Sus principales características pueden agruparse en las siguientes: Características eléctricas (entrada) Características mecánicas (salida) Características de funcionamiento INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MOTORES ASÍNCRONOS TIPO JAULA DE ARDILLA Características eléctricas (entrada) Parámetro Un Ejemplo : Tensión nominal entre fases (V) 440 V In : Corriente nominal (A) 33.0 A F : Frecuencia nominal (Hz) 60 Hz N : Número de fase 3 Cos : Factor de potencia a 100 % de carga % de carga Cos 100 % 0.85 75 % 0.80 50 % 0.73 25 % 0.55 vacío 0.17 INTRODUCCION AL CURSO 0.89 Nº de polos Cos Potencia (HP) Cos 2 0.85 0.5 0.80 4 0.84 12 0.85 6 0.80 60 0.91 8 0.70 260 0.91 [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MOTORES ASÍNCRONOS TIPO JAULA DE ARDILLA Características mecánicas (salida) Parámetro Pn : Potencia mecánica nominal en el eje (kW ó HP) Tn : Torque nominal en la carga ( N-m) n : Velocidad de rotación nominal (rpm) Ejemplo 12 HP 33.0 N-m 3460 rpm : Rendimiento (%) 84 % Pn η(%) 100 Pe INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Potencia (HP) (%) 0.5 70 12 84 60 88 260 93 Msc Ing. HUBER MURILLO M MOTORES ASÍNCRONOS TIPO JAULA DE ARDILLA Característica de funcionamiento Estado estable In : Corriente nominal Pn In 3 Un cos η In = corriente nominal Ia = 4 a 8 In t I’’ = 8 a 12 In En el arranque Ia : Corriente de arranque (1 a 10 s) 1 a 10 s Ia 4 a 8 In I’’ : Corriente de conexión (20 a 30 ms) I 8 a 12 In INTRODUCCION AL CURSO 20 a 30 ms In [email protected] Ia I” I Msc Ing. HUBER MURILLO M BANCOS DE CONDENSADORES Los condensadores son empleados ampliamente en la industria para corrección del factor de potencia (CFP) y filtros especiales reduciendo el costo de la energía para el usuario. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MÉTODOS DE CFP 1. COMPENSACIÓN INDIVIDUAL 2.- COMPENSACIÓN EN GRUPO 3.- CONPENSACIÓN AUTOMÁTICA CENTRALIZADA 4.- COMPENSACIÓN DINÁMICA (TIEMPO REAL) 5.- FILTRO ACTIVO DE ARMONICAS 6.- CONTROL DE TENSIÓN INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M EQUIPOS ELECTRICOS DE ACCIONAMIENTO Las cargas ó receptores requieren de “otros equipos eléctricos” para controlarlos adecuadamente. Estos equipos cumplen las siguientes funciones: - Conectarlos. - Desconectarlos. - Protegerlos INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M MEDIDORES E INDICADORES • Equipos que midan sus magnitudes eléctricas características Equipos que vigilen el estado de las magnitudes eléctricas Equipos que tomen acciones rápidamente cuando se ha producido una leve avería INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M EQUIPOS DE CONTROL Y MANDO Dispositivos auxiliares de mando y señalización •Paneles de alarma, •IHM de diálogo, •PLC •Autómatas •Equipos de regulación y visualización de estado, entre otros. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M EMVOLVENTES Y CELDAS DIVERSAS Todos ellos cuando son dispuestos en una estructura y cableados con una lógica definida, para cumplir una determinada función, forman lo que llamamos TABLEROS ELECTRICOS. INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 9/4/2011 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO INTRODUCCION AL CURSO [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M Introducción • La utilización de la energía eléctrica se inicia prácticamente en 1900 • Actualmente las normas de instalaciones eléctricas están muy desarrolladas (CEI 60364) y aseguran : – La protección de personas y – La protección de los bienes • Para brindar esta seguridad se ha NORMADO TRES esquemas de conexión a tierra (ECT). • Los regímenes del Neutro son: IT Neutro aislado, masa a tierra – TT Neutro a tierra, masa a tierra – TN Neutro a tierra, masa a neutro – SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 1 9/4/2011 AISLAMIENTOS EN LOS CONDUSTORES Aislamiento Los conductores y piezas con tensión están “aislados” respecto a las masas conectadas a tierra. • El aislamiento se consigue mediante: – Utilizando materiales aislantes – Con una distancia adecuada (distancias de aislamiento y líneas de fuga) • Características de un aislamiento – Tensión de aislamiento (> URED) – Tensión de impulso (onda 1.2/50s) – Tensión aplicada ( 2 URED + 1000 V/ 1min) SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M CAUSAS DE LOS DEFECTOS DE AISLAMIENTO En una red nueva, el riesgo de defectos de aislamiento es muy bajo; al envejecer la instalación el riesgo aumenta. • Durante la instalación: – Deterioro mecánico de los aislantes de los cables. • Durante la explotación: – El polvo más o menos conductor – Envejecimiento térmico: excesiva temperatura (Clima, demasiados cables en ductos, armarios mal ventilados, armónicos, sobre intensidades, ...) – Esfuerzos electrodinámicos – Sobretensiones (de maniobra, de rayo, de retorno) SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 2 9/4/2011 Riegos debidos a un defecto de aislamiento Un defecto de aislamiento, sea cual sea su causa, presenta riegos para: • La vida de las personas (riesgos de electrización de las personas) – Contactos directos – Contactos indirectos • La conservación de los bienes (riesgos de incendio) • La disponibilidad de la energía eléctrica, lo que redunda en perjuicio de la seguridad – Riesgo para las personas – Riesgo económico SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M Riesgos de electrización de las personas • Se ha comprobado que los efectos de la corriente eléctrica que atraviesa el organismo humano depende de la frecuencia y de la intensidad de la corriente Intensidad de la corriente (mA) Efectos (para t < 10 s) Continua 50/60 Hz 10 kHz Ligero cosquilleo, umbral de percepción 3.5 0.5 8 Choque molesto, sin perder el control muscular 41 6 37 Umbral de no poder soltar 51 10 50 Gran dificultad respiratoria 60 15 61 - 30 - Umbral de parálísis respiratoria SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 3 9/4/2011 DENOMINACION Y CLASIFICACION El ECT determina la forma de conectar a tierra el secundario del transformador MT/BT y las diversas maneras DE PONER A TIERRA LAS MASAS DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA. IDENTIFICACIÓN (MEDIANTE 2 LETRAS): 1ª letra: caracteriza la conexión del neutro del transformador _ _ 2ª letra: caracteriza la conexión de las masas SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M DENOMINACION Y CLASIFICACION • La 1ª LETRA para la conexión del neutro del transformador – T conectado a tierra – I aislado de tierra T SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA _ I [email protected] _ Msc Ing. HUBER MURILLO M 4 9/4/2011 DENOMINACION Y CLASIFICACION • La 2ª LETRA identifica el tipo de conexión de las masas de los equipos: – T conectada directamente a tierra – N conectada al neutro en el origen de la instalación (instalación conectada a tierra) _ T _ N N SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M DENOMINACION Y CLASIFICACION • La combinación de estas dos letras da 3 configuraciones: TT TN IT SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 5 9/4/2011 FINALIDAD DE LOS ECT • Los tres ECT, definidos en la Norma IEC 60364: – TN Puesta a neutro – TT Neutro a tierra – IT Neutro aislado o impedante • Finalidad: – Protección de personas y bienes: control de los efectos de un defecto de aislamiento. – Seguridad de la instalación: disponibilidad de la energía y mantenimiento de la instalación. SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TT: ANTE FALLA DE AISLAMIENTO • La corriente de defecto Id queda limitada sobre todo por la resistencia de tierra (Tierra de masas Tierra del neutro) • La corriente de falla no es tan alta. 0.8U0 1 2 3 CP Id TT RCP RB SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA Rfase RA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 6 9/4/2011 TT: ANTE FALLA DE AISLAMIENTO • Corriente de defecto (Id) Id Id U0 R A RB Rd U0 Id R A RB Donde: Id U0 RA RB Rd U0 (4) Rd (Si Rd 0) RB RA Id : Corriente de defecto (A) : Tensión simple (V) : Resistencia de tierra de las masas () : Resistencia de tierra del neutro () : Resistencia de la falla () SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TT: ANTE FALLA DE AISLAMIENTO • Tensión de contacto (Uc) UC R A I d Id y reemplazando los valores de Id , obtenemos : UC U0 RA U0 (5) R A RB Rd RB RA Id SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 7 9/4/2011 TT: ANTE FALLA DE AISLAMIENTO Ejemplo 3: En una red de 380/220V, 60 Hz, con neutro aterrado , tenemos que: U0 = 220V RA = 10 , RB = 10 Id La corriente de falla Id es según (4): Id U0 R A RB Id 220 11 A 10 10 U0 RB RA 110 V Id La tensión de contacto UC es según (5): RA U0 R A RB 10 UC 220 110 V 10 10 UC SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA ¡ 110 V, es peligroso ! [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TT: ANTE FALLA DE AISLAMIENTO Ejemplo 4: En una red de 380/220V, 60 Hz, con neutro aterrado , tenemos que: U0 = 220V RA = 20 , RB = 10 Id La corriente de falla Id es según (4): Id U0 R A RB U0 RB 220 Id 7.33 A 20 10 RA 147 V Id La tensión de contacto UC es según (5): UC RA U0 R A RB 20 UC 220 147 V 20 10 SISTEMAS DE CONEXION A TIERRA ¡ 147 V, es peligroso ! [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 8 9/4/2011 Ing. HUBER MURILLO MANRIQUE ESPECIALISTA EN MAQUINAS ELECTRICAS MAQUINAS ELECTRICAS [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M UNIVERSO TECNOLOGICO DE LOS MOTORES ELECTRICOS DE CA SLIPT - PHASE CAPACITOR DE PARTIDA JAULA DE ARDILLA CAPACITOR PERMANENTE POLOS SOMBREADOS ASINCRONO CAPACITOR DE 2 VALORES ROTOR BOBINADO MONOFASICO MOTOR CORRIENT ALTERNA UNIVERSAL TRIFASICO SINCRONO REPULSION RELUCTANCIA HISTERISIS ASINCRONO JAULA DE ARDILLA ROTOR BOBINADO La máquinas de CA son los mas utilizados por que la distribución de energía eléctrica es hecha normalmente en corriente alterna. Los motores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía eléctrica en energía macánica. MAQUINAS ELECTRICAS [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 1 9/4/2011 CONSTITUCION MECANICA Una máquina asíncrona de inducción de corriente alterna esta conformada escen-cialmente por las partes que a continuación se nombran : 4 10 3 1 2 6 MAQUINAS ELECTRICAS 1.- Cáncamo. 2.- Placa de identificación. 3.- Carcaza ó armazón. 4.- Tapa del venntilador. 5.- Rotor. 6.- Eje. 7.- Caja de conexiones. 8.- Estator. 9.- Escudos ó tapas. 10.- Arrollamientos. 11.- Rodamientos. 12.- Agujero de drenaje. [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TORQUE DEL MOTOR El torque se define como una fuerza rotacional aplicada a un eje que causa su rotación. El torque nominal entregado en un eje es: M 9,55 P 1000 n M: Torque (Nm) P: Potencia (kW) n: Velocidad (rpm) MAQUINAS ELECTRICAS Torquímetro [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 2 9/4/2011 VELOCIDAD SINCRONA La velocidad síncrona de un motor de inducción es la velocidad del campo magnético rotatorio. NS 120 f p Ns R S NS: Velocidad síncrona(rpm) f : Frecuencia(Hz) p : # de polos del motor MAQUINAS ELECTRICAS T [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M CONSTITUCION MECANICA Los motores eléctricos son construídos según las normas : - IEC - 34 - 7 ( International electrotechnical comission ) NEMA MG1 - 4 . 03 ( National Electrical Manufactures Association ) ROTOR .- Es la parte móbil de la máquina que a su vez contiene dos partes : Eje.- Material de acero utilizado dependiendo de la tracción, flexión y de su diseño los mas utilizados son : - SAE 1045 y SAE 1060 - VCL 100 Y VCL150 ( aceros bonificados ). Jaula de ardilla .- Es el circuito eléctrico del rotor estas pueden ser : - Simple jaula. - Doble jaula. - Ranura profunda. FORMAS CONSTRUCTIVAS.- Se entiende por forma constructiva a la disposición de sus partes en relación con su fijación en su puesto de trabajo. Se halla especificado en la norma IEC 34 - 7. MATERIALES FERROMAGNETICOS .- Conformados por : - Aleaciones de acero - carbono ( obsoleto ) - Aleaciones de acero - silicio. ( excelente ) - Acero tratado. ( no recomendable ) 3 9/4/2011 HM MATERIALES AISLANTES Se demomina así a todos los materiales que al paso de la corriente ofrecen una baja conductividad se caracterizan por : Presentan una : Alta resistencia. Alta resistividad. Baja conductividad Por tanto la corriente eléctrica que circula por ellos se denomina corriente de fuga ( su valor es muy pequeño del orden de los microamperios ). MAQUINAS ELECTRICAS HM [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M CLASIFICACION DE LOS MATERIALES AISLANTES NORMA IEC 34 - 1 ITEM 15 B MOTORES STANDART. F MOTORES MODERNOS H MOTORES ESPECIALES 15 TEMPERATURA DE RESERVA 15 10 5 5 60 100 TEMPERATURA DE TRABAJO 80 75 40 40 40 A E B MAQUINAS ELECTRICAS 125 40 F [email protected] 40 TEMPERATURA AMBIENTE H Msc Ing. HUBER MURILLO M 4 9/4/2011 HM MATERIALES CONDUCTORES Se demomina así a todos los materiales que permiten el paso continuo de la corriente eléctrica con gran facilidad (alta conductividad) , cuando esta sometido a una diferencia de potencial. Se caracterizan por : Presentar una : Baja resistencia. Baja resitividad. Alta conductividad Los más conocidos son : COBRE Y ALUMINIO MAQUINAS ELECTRICAS [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M CARACTERISTICAS NOMINALES Los parámetros que definen el comportamiento de las máquinas rotativas, la mayor parte de éstos parámetros estan inscritos en la placa de datos y/o identificación ubicado en la parte superior de los motores. Las más importantes son : 1.2.3.4.- POTENCIA NOMINAL. CORRIENTE NOMINAL VELOCIDAD NOMINAL. TAMAÑO Y FORMA CONSTRUCTIVA ( Según normas ) . IEC 34 - 7 . NEMA MG 1.11.31 5.GRADO DE PROTECCIÓN norma IEC 34 - 5 6.FACTOR DE SERVICIO. 7.- TEMPERATURA AMBIENTE ( IEC 34 -1 ) 8.FRECUENCIA DE ARRANQUES. 9.LIMITACIONES DE LAS CORRIENTES DE ARRANQUE 10.- ALTITUD 11.- PAR VELOCIDAD norma IEC 34 - 12 12.- FACTOR DE POTE 13.- EFICIENCIA . STANDART . ALTA EFICIENCIA.. MAQUINAS ELECTRICAS [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 5 9/4/2011 PLACA DE ESPECIFICACIONES DE MOTORES ASINCRONOS PEQUEÑOS WEG MOTORES S.A. C.P. D20 89 250 JARAGUA DO SOUL SC MADE IN BRAZIL FRAME HP/ KW V - V -Y HZ A A RPM SF PF INSOL. 1 2 3 6 4 5 R S Tambient. 40 °C 1 Y 2 6 T 4 R MAQUINAS ELECTRICAS 3 5 S T [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M TIPOS DE CONEXION EN MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS 1 1 NORMA USA 220 V 6 7 220 V 9 440 V 4 6 7 9 220 V 3 3 5 4 5 2 8 TRIANGULO SERIE 09 TERMINALES 6 220 V ESTRELLA TRIANGULO 4 3 6 5 1 220 V 3 4 5 2 TRIANGULO 06 TERMINALES 2 ESTRELLA 06 TERMINALES MAQUINAS ELECTRICAS 220 V TRIANGULO PARALELO 09 TERMINALES 1 380 V 2 8 [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M 6 9/4/2011 TIPOS DE CONEXION EN MOTORES ASINCRONOS TRIFASICOS CONEXION MULTIPLE 6 3 12 1 7 ES EL RESULTADO DE LAS COMBINACIONES ESTRELLA Y TRIANGULO ( SERIE Y PARALELO ) ACOMODADA PARA DOS TENSIONES. SE UTILIZAN 220 , 380, 440 y 9 11 8 5 10 2 4 760 VOLTIOS ARRANQUE DIRECTO VOLTAJE L1 220 V 380 V Y Y 440 V L2 ( 1,6,7,12 ) ( 1,7 ) L3 ( 2,4,8,10 ) ( 2,8 ) ( 1,12 ) UNIR ( 3,5,9,11 ) ( 2,10 ) ---------------------------- ( 3,9 ) ( 4,5,6,10,11,12 ) ( 3,11 ) ( 4,7 ) ( 5,8 ) ( 6,9 ) ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO VOLTAJE U 220 V ( 1,7 ) ( 2,8 ) 1 2 440 V V W ( 3,9 ) X 3 MAQUINAS ELECTRICAS Y ( 4,10 ) ( 5,11 ) 10 Z UNIR ( 6,12 ) 11 12 ( 4,7 ) ( 5,8 ) ( 6,9 ) [email protected] Msc Ing. HUBER MURILLO M CONTINUACION CARACTERISTICAS DE TORQUE VS VELOCIDAD DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS DE INDUCION 4.5 TORQUE MAXIMO 4 TORQUE ( % DEL TORQUE NOMINAL ) 3.5 TORQUE ARRANQUE DESLIZAMIENTO 3 S TORQUE MINIMO 2.5 2 1.5 VELOCIDAD SINCRONA TORQUE NOMINAL 1 0.5 VELOCIDAD NOMINAL 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 VELOCIDAD ( % DE LA VELOCIDAD SINCRONA ) CARACTERISTICAS DE TORQUE Y ACELECRACION ING. HUBER MURILLO M 7 9/4/2011 CATEGORIAS NORMALIZADAS ( NORMA NEMA ) Catergoria A.- Una jaula, torque alto, deslizamiento bajo y corriente de arranque alta, son diseñados para satisfacer requerimientos de sobrecarga de corta duración y no hay limitaciones de corriente de arranque. Deslizamientos inferiores al 2%, la velocidad es casi constante. Categoría B.- Torque, corriente de arranque y deslizamiento normal, su deslizamiento se ubica entre 4 a 2% en motores de 1 a 125 HP. Tiene un arranque y aceleración suaves para la mayoría de las cargas y también puede resistir temporalmente picos eleva-dos de carga sin detenerse. Categoría C.- De doble jaula, torque alto, corriente de arranque y deslizamiento normal. Estos motores desarrollan un alto torque y por ello son utilizados en cargas de arranque pesado (alta inercia), siendo su deslizamiento nominal menor al 5%. Categoría D.- Ranura profunda, torque alto, deslizamiento alto ubicados en (5-8%) y 813%). También se diseñan motores con un deslizamiento mayor de 13% el que produce un ultra HIGH SLIP.El torque de arranque es generalmente de 2 a 3 el par nominal pudiendo ser mayor para especificaciones especiales. Estos motores son recomendados para cargas cíclicas y de corta duración con frecuentes arranques y paradas. Categoría F.- Torque y corriente de arranque bajas, siendo el deslizamiento nominal. Son motores poco usados, destinándose a cargas con frecuentes arranques. CARACTERISTICAS DE TORQUE Y ACELECRACION ING. HUBER MURILLO M HM NORMA IEC 34 - 6 Las pérdidas son inevitables en los motores y el calor que genera debe ser disipado, a sea, transferido al elemento de refrigeración del moto, usualmente el aire ambiente. La forma como se hace el intercambio de calor entre las partes calientes del motor y el aire ambiente es lo que define el SISTEMA DE VENTILACION del motor. Según la norma IEC 34 - 6 los sistemas de ventilación son los siguientes: ANALISIS TERMICO Y VENTILACION ING. HUBER MURILLO M 8 9/4/2011 HM HM HM V1.- INTERCAMBIADOR DE CALOR AIRE - AIRE V2.- ABIERTO AUTO VENTILADO AIRE CALIENTE AIRE FRIO AIRE CALIENTE AIRE FRIO El motor puede presentar protección IP44, IP54, IP55 ó equivalentes . Cuenta con dos ventiladores acoplados al eje , uno interno y otro externo. El intercambiador de calor es montado en la parte superior del motor. En este sistema el motor puede presentar protecciones IP23, Lp24 , IP55 ó equivalentes . Cuenta con un ventilador interno acoplado al eje el cual aspira el aire del ambiente que luego de pasar a travez de la máquina es expulsado al medio ambiente. ANALISIS TERMICO Y VENTILACION ING. HUBER MURILLO M TECNOLOGIA PUNTA El mercado internacional, obliga a los industriales modernos abastecer al usuario productos que cumplan con la normalización ISO Internacional es decir: LOS PRODUCTOS FINALES DEBEN SER DE CALIDAD Y BARATOS De la energía total generada en el mundo, aproximadamente el 60% la consumen los motores eléctricos. En consecuencia el ahorro de energía eléctrica se halla muy vinculado con el costo del producto final. Motivo por el cual debemos utilizar motores electricos de bajas pérdidas llamados MOTORES DE ALTA EFICIENCIA MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE 9 9/4/2011 EL MOTOR RECIBE LA ENERGIA ELECTRICA Y ENTREGA ENERGIA MECANICA 30 HP POTENCIAE LECTRICA 440 V 60 HZ POTENCIA MECANICA La potencia mecánica al cual se le conoce como POTENCIA UTIL resulta siendo, siempre, menor que la POTENCIA DE INGRESO. POTENCIA UTIL < POTENCIA DE INGRESO. MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE RESUMEN DE EFICIENCIA Pingreso = Putil + Ppérdidas PUTIL EF ( % ) = --------------------- x 100 PUTIL + PPERDIDAS PODEMOS AFIRMAR QUE LA EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELECTRICOS DEPENDEN DE: . LAS PERDIDAS EN EL ESTATOR. . LAS PERDIDAS EN EL ROTOR. . LAS PERDIDAS ROTACIONALES . LAS PERDIDAS SUPLEMENTARIAS. MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE 10 9/4/2011 FLUJOS DE POTENCIA EN LOS MOTORES ELECTRICOS TRIFASICOS I²R1 I2²R2´ MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE Como reducir las pérdidas en los conductores? DEL ESTATOR • • • • Se reducen colocando conductores de más sección. Incrementando las dimensiones de las ranuras. Cambiando la configuración del devanado. Disminuir la longitud de las cabezas de bobina MEDIDAS GEOMETRICAS DE LAS CHAPAS L CABEZAS DE BOBINAS CABEZAS CARCAZA ESTATOR BOBINADA ESTATORICAS DE UN MOTOR TIPO NV160L2 DE BOBINAS REDUCIR LA RESISTENCIA DEL BOBINADO ESTATÓRICO. Garganta de la ranura De. PAQUETE ESTATORICO C1 PAQUETE MAGNETICO ESTATORICO T1 SEPARADOR DE CABEZAS DE BOBINAS Canal de seguro y alimeamiento D PARA CARCAZA BOBINADA LISTA SER INSTALADA EN LA CARCAZA MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC CARCAZA ESTATORICA BOBINADA Y BARNIZADA LISTA PARA EL TRATAMIENTO TERMICO. NOTECE QUE LAS CABESAS Ranuras DE BOBINAS estatóricas HAN SIDO MUY BIEN AMARRADOS HUBER MURILLO MANRIQUE 11 9/4/2011 Como reducir las pérdidas en las barras? DEL ROTOR • Incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos). • Utilizando materiales de mayor conductividad. • Aumentando el flujo magnético total que atraviesa el entrehierro. DATALLE DE LAS ALETAS UBICADAS EN EL ANILLO DE CORTOCIRCUITO EJE ROTOR TIPO NV100L4 MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE Como reducir las pérdidas en el nucleo? • Se reducen haciendo que el motor opere con inducciones mas bajas que las normales. • Esto también reduce la corriente de magnetización y mejora el factor de potencia. MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE 12 9/4/2011 Como reducir las pérdidas? Por Fricción y Ventilación ? • Lograr un mejor diseño aerodinámico. • Disminución de los niveles de ruido. • Selección adecuada de rodamientos DIRECCIONAMIENTO DEL AIRE EN EL PROCESO DE VENTILACION DETALLES DE LA TAPA DEL VENTILADOR MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA DETALLES DEL VENTILADOR CANCAMO ESCUDO LOA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE Como reducir las pérdidas adicionales? EN CARGA Como estas pérdidas están asociadas al proceso fabricación, tal como las condiciones superficiales del rotor, se pueden minimizar a través de un control cuidadoso del proceso de fabricación. Las pérdidas adicionales son las más difíciles de controlar en el motor, debido al gran número de variables que contribuyen a las mismas. SE REDUCE MEDIANTE UN DISEÑO ÓPTIMO DEL MOTOR. MAQUINAS ELECTRICAS DE ALTA EFICIENCIA FIEE – UNAC HUBER MURILLO MANRIQUE 13 NORMALIZACION IEC 947 - 1 ….. 7 SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M INTRODUCCION En el presente trabajo se pretende dar a conocer el contenido de la Norma Internacional IEC 947. Esta norma presenta una terminología clara y cabal sobre todos y cada uno de los equipos y elementos que conforman los SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO. Además se definen los conceptos de : • Seleccionar en forma adecuada el equipo eléctrico. • Protección de los equipos que gobiernan las cargas. • Realizar la coordinación y el ajuste de la protección. Los aparatos de protección tienen la función de interrumpir el flujo de energía eléctrica ( sacando fuera de servicio al equipo y desconectándolo de la línea de alimentación ), cuando se presentan irregularidades en su funcionamiento, particularmente por sobrecargas y/o variaciones de tensión, corriente y frecuencia nominales del sistema. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DISTRIBUCION DIAGRAMA UNIFILAR DE LAS ETAPAS DEL SEP TRANSMISION GENERACION ENERGIA POTENCIAL 220 KV Pm ∆ G GENERAD. SINCRONO TRIFASICO Y 220 KV 10 KV ∆ Y TRAFO ELEV. 13.8 / 220 KV L.TX Y ∆ Y TRAFO REDUC. 220 / 60 / 10 KV 60 KV Q L.S.TX LEYENDA RELE DE ROTECCION L.TX SVC STATY VARS CONTROL Wm VELOCIDAD MECANICA LTX LINEA DE TRANSMISION L.S.TX LINEA DE SUB TRANSMISION SVC STATY VARS CONTROL SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO CARGAS EN B.T. 13.8 KV Wm TURBINA TRAFO RED. 10 / 0.22 KV SVC NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Y ∆ TRAFO RED. 60 / 10 KV CARGAS EN 10 KV Msc. ING. HUBER MURILLO M NORMAS INTERNACIONALES La IEC 947 ( INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION ) tiene el objetivo de armonizar en todas las formas posibles el conjunto de reglas y de disposiciones aplicables al sector de baja tensión, uniformizando de tal manera las prescripciociones y las pruebas aptas a garantizar toda la gama de materiales corresponpondientes. La IEC 947 es dividida en varios artículos como sigue:. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M NORMAS INTERNACIONALES • 947 - 1 Reglas generales. • 947 - 2 Interruptores automáticos. • 947 - 3 . Interruptores, seccionadores Interruptor seccionador y fusibles. • 947 - 4 Contactores y arrancadores. • 947 - 5 . Equipos y elementos para circuitos de mando. ( Sensores de proximidad, temperatura, etc ) • 947 - 6 Equipos de conexión a funciones múltiples. ( Arrancador integral o transferencia automática ) • 947 - 7 Materiales accesorios ( Bloques de unión para conductores de cobre ) SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES SECCIONAMIENTO.- A fin de trabajar en forma segura en instalaciones, máquinas y su equipamiento eléctrico, debe ser posible aislar eléctrica y físicamente todos los circuitos de potencia y de control de la linea de distribución, el seccionamiento se realiza sin carga. Esta función que según la IEC 947 - 2 tiene que ser incluida en : . Interruptores magnéticos para motores. . Interruptores termomagnéticos para motores. INTERRUPCION.- Permite la conexión y desconexión de un circuito con carga, así como la parada de emergencia. Función incluida en: . Interruptores magnéticos para motores. . Interruptores termomagnéticos para motores. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES PROTECCION CONTRA CORTO CIRCUITO.Cualquier instalación de motores puede estar sujeta a fallas eléctricas y mecánicas. Con el fin de evitar que éstas fallas causen daños al motor y a su equipamiento es necesario prever protecciones contra corto circuitos y sobrecargas. El objetivo de la protección contra corto circuitos es detectar y cortar, lo mas pronto posibles, corrientes anómalas mayores de 2 a 10 veces la corriente nominal del motor. Función incluida en: . Interuptores magnéticos para motores. . Interruptores termomagnéticos para motores. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES PROTECCION CONTRA SOBRECARGAS.La protección contra sobrecargas permite detectar incrementos de corriente entre 1 a 1.5 veces la corriente nominal del motor desconectar el arrancador antes que el sobrecalentamiento del motor y conductores cause daño al material aislante, que podría derivar en una condición de corto circuito. Es tambien posible añadir otras protecciones, como la protección contra fallas de aislamiento, pérdida de fase , desbalance de tensiones y corrientes, etc. Los dispositivos específicos son : . Relé térmico contra sobrecarga. . Interruptores termomagnéticos para motores. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES Interruptores termomagnéticos.- Han sido diseñados especialmente para despejar en forma rápida las fallas de sobrecorriente y cortocircuito. El tiempo del despeje dependerá de la regulación a la cual ha sido sometido (ver curvas del interruptor termomagnético). La selección está definida por la norma IEC 947, NEMA AB-1-UL-489. Para hacer su selección tener en cuenta: - Corriente y tiempo de arranque del motor. - Tensión nominal. - Altitud de diseño. - Corriente de cortocircuito. - Temperatura de trabajo. - Demás instrucciones del fabricante. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES Disyuntores.- Son dispositivos de maniobra y protección que pueden actuar como simples interruptores de corriente en condiciones normales del circuito o como protección en condiciones anormales del mismo, hay dos tipos: Abiertos y cerrados y pueden ser monofásicos, bifásicos y trifásicos. Los disyuntores más utilizados poseen disparadores térmicos para protección contra sobre corriente y disparadores magnéticos para protección contra corto circuitos. La gran ventaja de los disyuntores en relación con los fusibles es la capacidad de interrupción de la corriente en sus tres fases en forma simultánea por sobre corriente y por corto circuito, además la protección es mas selectiva. Las desventajas son las siguientes : Alto costo y menor velocidad de actuación en cortocircuitos. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES Contactores.- Aparatos de maniobra (automático), con poder de corte y por lo tanto puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vacío. También se le define como un interruptor accionado o gobernado a distancia. Las ventajas de usar contactores son : - Maniobra en altas corrientes. - Ahorro de tiempo en la maniobra. - Posibilidad de controlar un motor desde varios puntos. - Seguridad del personal. - Automatización en el proceso. - Arranque y parado de motores según su diseño. - Maniobras de cualquier carga. Su trabajo esta sujeto a la norma IEC 947. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES CONMUTACION.- Permite el mando a distancia y el control automático de apertura y cierre del circuito de potencia. Estos dispositivos electromecánicos son los contactores. Temporizadores.- Son aparatos que cierran o abren determinados contactos ( contactos temporizados ), y al cabo de un tiempo debidamente establecido, abren o cierran el circuito de mando. Según la técnica de construcción y funcionamiento los temporizadores pueden ser : - Con mecanismo de relojería. Electrónicos y Neumáticos. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES Fusibles .- Estos elementos son diseñados para proteger al motor contra las fallas de cortocircuito, son instalados en serie con las fases del circuito. Está construido de un elemento conductor de pequeña sección transversal ( alta resistividad para proporcionar el retardo ), que soporta el paso de una corriente predeterminada, tal como la corriente de arranque. Para su selección solicitar información del fabricante. Son pésimos para el control de sobre corrientes. Pulsadores .- Cierran o abren ciertos circuitos mientras actúe sobre ellos una fuerza exterior, recuperando su posición de reposo (inicial) al cesar dicha fuerza, por acción de un muelle o resorte. Son de dos tipos : Para encendido ( contactos NA ), Para apagado ( contactos NC ). SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DESCRIPCION GENERAL DE LAS FUNCIONES Señalización .- Son todos los dispositivos cuya función es llamar la atención sobre el correcto o incorrecto funcionamiento de las máquinas aumentando así la seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos. Entre los más conocidos tenemos : Acústicos.- Son señales perceptibles por el oido, tales como : Timbre, zumbadores, sirenas, etc. Opticas.- Son señales perceptibles por la vista, se dan de dos formas: . Visuales.- Se emplean ciertos símbolos indicativos de la operación que indica la realización de alguna acción correspondiente al diagrama de flujo de producción. . Luminosos.- Unicamente se emplean lámparas o leds de colores diferentes. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M CONFORMACION DE UN SISTEMA ELECTRICO BARRAS DEL SISTEMA 440 VOLTIOS, 60 HZ Contactor : . Categoría DC. . Categoría AC. Conductores : . TW, THW, NYY. Wm MOTOR Llaves : . Magnética fija. . Magnética regulable. . Termomagnética fuja. . Termomagnética regulable SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO CARGA Relé termico : . Directo. . Indirecto. . Tiempo actuación : . Normal. . Retardado. NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M INSTALACION ANTIGUA LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA SECCIONADOR FUSIBLES CONTACTOR TRIPOLAR RELE TRIPOLAR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M HM COORDINACION TIPO I ( IEC 947 - 4 ) LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO CONTACTOR TRIPOLAR RELE TRIPOLAR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M BARRAS DEL SISTEMA COORDINACION DE TIPO 1 Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. Ningún componente aparte del contactor y del relé de sobrecarga puede dañarse. El aislamiento debe conservarse despues de la falla. Antes de poner en servico nuevamnete, puede ser necesaria la reparación del contactor y/o substitución o calibración del relé de sobrecarga. ( # ) COORDINACION TIPO 2 ( IEC 947 - 4 ) COORDINACION TIPO 2 Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. No es permitido ningún daño ó desajuste del contactor; es admitido el riesgo que los contactos del contactor se peguen, siempre y cuando éstos puedan separarse facilmente. El aislamiento debe conservarse despues de la falla. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA GUARDAMOTOR CONTACTOR TRIPOLAR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Msc. ING. HUBER MURILLO M BARRAS DEL SISTEMA COORDINACION TIPO 2 ...... El sistema de arranque debe poder funcionar nuevamentedepués del corto circuito. Antes de poner en servico nuevamente, es suficiente una rápida inspección ( # ). Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio depués de la falla. ( # ) Obviamente, en los tres casos antes deponer en servicio nuevamente es necesario eliminar la causa de la falla. COORDINACION TOTAL ( IEC 947 - 6 ) LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA SOFT STARTER + CONTACTOR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M BARRAS DEL SISTEMA COORDINACION TOTAL Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. No se permite ningún daño o soldadura en los componentes del sistema de arranque. Se puede poner en servicio nuevamente sin precausiones particulares. Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio depués de la falla. PROTECCION INTEGRAL Cuando se tiene una máquina con una muy alta criticidad es conveniente protegerlo contra todo posible daño, para ello se tendrán que gobernar los parámetros siguientes: Corriente, Tensión, Frecuencia,Temperatura, etc. Los censores de los circuitos de los parámetros de la máquina deben ser instalados en las tres fases, además deben tener un circuito de gobierno común ( consola ), que me permita controlar la totalidad de las características de la máquina. El diseño deberá considerar que cuando actúen los elementos de protección, no deberán ser reseteados automáticamente, es recomendable detectar cual ha sido la causa o motivo por el cual ha actuado. Los relés de sobrecarga deben ser seleccionados de modo que permitan el arranque y parada, así mismo nos indique el tipo de falla en su panel frontal. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M TIPOS DE RELES MAS UTILIZADOS. Según la importancia de los equipos a ser protegidos los relés mas utilizados en la industria son : - Sobre corriente. - Sobre y sub tensión. - Sobre y sub frecuencia. - Potencia inversa. - Térmico ( sondas térmicas, termocuplas, etc. ). - Pérdida de fase. - Secuencia cero. - Diferencial. - De distancia. - Relé integral en baja tensión. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M HM PROTECCION INTEGRAL ( CLASIFICACION TIPO 21 27 40 46 49 50G 59 60 61 81 86 51MN 51TN 59GN 62B 87 87N DE LOS RELES DESCRIPCION DE LAS FUNCIONES Relé de distancia - Para zonas de fallas en fase. Protección de subtensión. Protección de pérdidas en el campo. Protección de secuencia negativa. ( corrientes desvalanceadas ). Protección térmica del estator. Protección por sobrecorriente. Protección de sobretensión. Relé de tensiones balanceadas ( Detección de fusibles rotos del trafo de potencia ) Protección por sobrecorriente de fase dividida. Relé de frecuencia ( Protección contra sobre y sub frecuencia ). Relé auxiliar de cierre externo del reseteado manual. Relé de tiempo de sobrecorriente a tierra. Protección de fallas a tierra - Respaldo. Relé de sobretensión - Protección de fallas a tierra. Tiempo de falla del interruptor. Relé diferencial en las fases del estator. Protección diferencial de fallas estator - tierra. SIGUE SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M ) DEFINICIONES BASICAS EN PROTECCION PERTURBACIONES .- Son alteraciones de los principales parámetros de los sistemas eléctricos de corriente continua ó alterna. Los parámetros eléctricos principales son : Tensión, corriente y frecuencia siendo sus unidades Voltios, Amperios y frecuencia respectivamente. SOBRECORRIENTES.- Alteración de la corriente nominal por ensima de los valores establecidos estos pueden ser : • Alta intensidad.- Estan conformados por las corrientes de cortocircuitos asimétricos y simétricos. Se dan entre 2In < Inominal < 10 In . El tiempo de duración 50 - 250 mseg. • Baja intensidad.- Cuando se sobrepasa la corriente nominal emtre 1In < Inominal < 1.5 In . Conformados por las corrientes de sobre carga. El tiempo de duración es de hasta muchos segundos y/o uno o varios minutos según sea el caso. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DEFINICIONES BASICAS EN PROTECCION TENSIONES ANORMALES.- Se denominan así cuando los niveles de la tensión están fuera de los valores normalizados. En los sistemas industriales se dan dos casos: Sobre tensiones.- Deterioran los aislamientos de los equipos y sistema eléctrico y pueden producir fuertes descargas a tierra. Pueden ser de origen: Externo.- Descargas atmosféricas (Corta duración). Interno.- Maniobras y frecuencia industrial. Sub tensiones.- Aparecen debido a perturbaciones ocurridas dentro del sistema eléctrico. Su origen se debe a: Sobrecarga en la línea del sistema eléctrico. La central de generación entrega una baja tensión. En el arranque de los motores de inducción. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M DEFINICIONES BASICAS EN PROTECCION FRECUENCIAS ANORMALES.- Cuando la frecuencia de operación se halla fuera del margen establecido se dan : • Sub frecuencia ( inferior a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración < KWcarga. • Sobre frecuencia ( superios a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración > KWcarga. INVERSION DE POTENCIA.- El flujo de potencia activa debe estar predeterminado en un solo sentido. El canbio de sentido del flujo implica una situación anormal por lo que se debe utilizar un relé de potencia inversa. OTRAS.- Para aplicaciones particulares es posible detectar condiciones anormales de : Impedancias, temperaturas, presiones, vibraciones, comparaciones de corrientes y tensiones de entrada y salida, corrientes de secuencia a cero entre otros. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M MISION DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION - Proteger físicamente al personal técnico. - Prevenir ó atenuar los daños al conjunto de equipos. - Minimizar el tiempo de indisponibilidad de los equipos y las interrupciones a los sistema servidos. - Minimizar el efecto de las perturbaciones sobre el resto de la red. - Aísla rápidamente los elementos fallados evitando la pérdida de la estabilidad del sistema eléctrico. - Utilización de equipos adecuados para que el sistema trabaje bien y por ende tengamos una energía de alta calidad. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION FIABILIDAD.- Es la seguridad de funcionamiento cuando se necesita y su acccionamiento innecesario. Se le conoce también con el nombre de confiabilidad. Atentan contra la fiabilidad: - Diseños incorrectos. - Malos ajustes. - Instalación inadecuada. - Deterioro de los equipos debido a: . Fallas ó envejecimiento del relé. . Mantenimiento inadecuado ó no existente. Una medida para incrementar la confiabilidad del equipo es duplicar la protección ( incluyendo transductores de medida y servicios auxiliares ). SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE ….. RAPIDEZ.- Los cortocircuitos producen grandes corrientes las que ocasionan la formación de arcos eléctricos muy grandes y por ende destructivos que pueden dañar los equipos y ocasionar incendios. La permanencia prolongada de los cortocircuitos puede afectar la estabilidad del sistema eléctrico. En consecuencia el tiempo de actuación del equipo debe ser el mas corto posible. El tiempo de actuación de la protección esta compuesto por: - Tiempo de actuación del equipo. - Tiempo de los interruptores. - Tiempo de la temporización. Se presentan los siguientes relés y/o equipos: - Equipos estáticos ( tiempo de accionamiento < 17 mseg.). - Equipos electromecánicos ( tiempo > 2 a 3 ciclos ). SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE ….. SELECTIVIDAD.- El diseño y coordinación de la protección debe ser tal que aún en condiciones mas desfavorables y extremas, solamente se aísle la parte del sistema ó equipo afectado quedando operativo el resto del sistema. Es necesario que en la ocurrencia de fallas actúen los interruptores mas cercanos al equipo protegido para lo cual se utilizan varios tipos de protección a saber: - Unitarios y/o restringidos. - Escalonados ( relés de impedancia ó sobrecorriente ). SENSIBILIDAD.- Se refiere a la mas pequeña variación de la magnitud controlada que el sistema puede detectar. Esta magnitud debe ser plenamente conocida por el Ingeniero especialista en protección con el objeto de controlar la correcta operación de los relés. En caso de tratarse de relés, se refiere a los voltios amperios que operar a dicho equipo. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE ….. ESTABILIDAD.- Es la habilidad de los equipos de no actuar ante condiciones normales de carga y ante fallas externas a su zona de influencia. Así mismo deben ser estables ante oscilaciones de tensión, corriente y frecuencia, etc. SIMPLICIDAD.- Debe ser de fácil manejo teniendo pocos elementos que puedan fallar, aumentando así la fiabilidad. Tener en cuenta que no necesariamente el sistema mas simple es el mas económico. OTROS.- Se refieren a otras características tales como: - Bajo consumo. - Facilidad de mantenimiento. - Economía global del sistema. - Criticidad del sistema. SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M NORMA IEC 947 – 4 - 1 CATEGORIZACIÓN DE LOS CONTACTORES UTILIZADOS EN LOS CIRCUITOS DE FUERZA TIPO CORRIENTE ALTERNA CATEGORIA AC – 1 AC – 2 AC – 3 AC – 4 AC – 5a AC – 5b AC – 6a AC – 6b AC – 8a AC – 8b CORRIENTE CONTINUA DC – 1 DC – 3 DC – 5 DC – 6 DESCRIPCION DE LA UTILIZACION Cargas no inductivas, hornos resistivos. Motores de anillos rozantes. Arranque y apagado. Motores tipo jaula de ardilla. Arranque y apagado. Motores jaula. Frecuentes arranques y apagado. Encendido y descarga de control de lamparas. Encendido de lamparas incandescentes. Encendido de transformadores. Encendido de banco de condensadores. Control de motor compresor hermético refrigerado. Con apagado manual y soporte de sobrecargas. Control de motor compresor hermético refrigerado. Con apagado automático y soporte de sobrecargas. Cargas no inductivas y hornos resistivos. Motores DC tipo shunt. Comportamiento dinámico. Motores DC tipo serie. Comportamiento dinámico. Encendido de lamparas incandescentes. NORMA IEC 947 – 5 - 1 CATEGORIZACIÓN DE LOS CONTACTORES UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS DE CONTROL TIPO CORRIENTE ALTERNA CORRIENTE CONTINUA CATEGORIA DESCRIPCION DE LA UTILIZACION AC – 12 Control de cargas resistivas y cargas de estado sólido con aislamiento por opto acopladores. AC – 13 Control de cargas de estado sólido y transformadores de aislamiento. AC – 14 Control de pequeñas cargas electromagnéticas ≤ 72 VA. AC – 15 Control de cargas electromagnéticas > 72 VA. DC – 12 Control de cargas resistivas y cargas de estado sólido con aislamiento por opto acopladores. DC – 13 Control electromagnético. DC – 14 Control de cargas electromagnéticas. HM ESQUEMAS DE BLOQUES DE UN RELE DIGITAL TRANSFORMADORES PRINCIPALES DE MEDIDA TRANSFORMADORES DE ENTRADAS FILTROS ANALOGICOS TOMA DE MUESTRAS CONVERSOR A / D PROCESADO DE LA INFORMACION INTERFASE DE SALIDA EQUIPOS PERIFERICOS ( INTERRUPTORES , ETC ) PROTECCION DE MOTORES TRIFASICOS UTILIZANDO RELES ELECTRONICOS LOS RELÉS ELECTRÓNICOS PROVEEN UNA PROTECCIÓN COMPLEMENTARIA MEDIANTE LA MEDICIÓN DIRECTA DE LA TEMPERATURA DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS EQUIPADOS CON TERMISTORES PTC “ PROBADOS ” PARA OPERACIÓN EN : RED TRIFASICA CORRIENTE ALTERNA LLAVE TERMOMAGNETICA CONTACTOR RELE RELE TERMICO MOTOR TRIFASICO TERMISTOR SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO EN CONDICIONES AMBIENTALES DURAS TAL COMO: . ALTAS TEMPERATURAS . POLVORIENTO. . HUMEDAD EN SERVICIO SEVERO TALCMO: . CICLOS DE OPERACION RAPIDOS. . INYECCION DE DC EN SISTEMA DE FRENADO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M PROTECCION INTEGRAL DE MOTORES TRIFASICOS UTILIZANDO RELES ELECTRONICOS MULTIFUNCION RED TRIFASICA CORRIENTE ALTERNA LLAVE TERMOMAG. CONTACTOR TRAFOS DE CORRIENTE LOS RELES ELECTRONICOS DE PROTECCION MULTIFUNCION ES UN EQUIPO IDEAL PARA APLICACIONES DE ALTA PERFORMANCE. SE GARANTIZA UNA TOTAL PROTECCION PARA LOS MOTORES PARA TODOS LOS CASOS Y BAJO TODAS CONDICIONES DE OPERACION. PERMITE EL CONTROL AUTOMATICO DE DIFERENTES METODOS DE ARRANQUE TAL COMO : . ARRANQUE DIRECTO ( REVERSIBLE ) . ARRANQUE ESTRLLA - TRIANGULO. . ARRANQUE CON DOS VELOCIDADES. PC MOTOR TRIFASICO RELE MULTI FUNCION TODAS LAS FUNCIONES SON PROGRAMABLES CON PARAMETROS LOCALISADOS DIRECTAMENTE ó USANDO UNA PC. PARA LA INTEGRACION DE LOS SISTEMAS ESTOS RELE CUENTAN CON FUNCIONES DE COMUNICACIONES PARA SER OPERADAS EN FORMA REMOTA. TABLA COMPARATIVA DE LOS SENSORES PROTECTORES TERMICOS PROTECCION EN FUNCION DE LA CORRIENTE CLASES DE RECALENTAMIENTO SOLO FUSIBLE PROTECTOR TTERMICO 1.- Sobrecarga con corriente de 1.2 Inominal. 2.- Regimenes de carga S1 a S8 - EB 120. 3.- Frenajes, reversión de marchas y funcionamiento con arranques frecuentes 4.- Funcionamiento con mas de 15 arranques frecuentes. 5.- Rotor bloqueado 6.- Falta de fase 7.- Variación de tensión excesiva 8.- Variacion de frecuencia de la red 9.- Temperatura de ambiente excesiva 10.- Calentamiento externo probocado por rodamientos, fajas poleas , etc. 11.- Obstruccion de la ventilacion Totalmente protegido Semiprotegido Sin proteccion PROTECCION CON SONDAS TERMICAS EN EL MOTOR SISTEMA DE BARRAS DE 460 VOLTIOS 60 HZ CABLE TIPO THW AWG # 14 TABLERO GENERAL DE FUERZA - CIRCUITO DE FUERZA UBICADO DENTRO DEL TABLERO TGF1 CABLE TIPO THW AWG # 14 CABLE TIPO THW AWG # 14 CABLE TIPO THW AWG # 14 4 A 4 A 4 A 4 A 10 A 9A 9A 9A 9 A 9 A 2.5 - 4 A 2.5 - 4 A 2.5 - 4 A 5.5 - 8 A 2.5 - 4 A TGF1 CABLE TIPO THW AWG # 14 CABLE TIPO THW AWG # 14 CABLE TIPO THW AWG # 14 PLANTA E2 E3 MOTOR WEG 1.5 HP 460 Volt. 2.5 Amperios RPM 1750 LEYENDA : E4 MOTOR WEG 1.5 HP 460 Volt. 2.5 Amperios RPM 1750 MOTOR WEG 1.5 HP 460 Volt. 2.5 Amperios RPM 1750 E ELEVADOR Z D DESPEDRADORA MOTOR SIEMENS 1.8 HP 460 Volt. 2.95 Amperios RPM 1750 Z D MOTOR SIEMENS 3.6 HP 460 Volt. 5.4 Amperios RPM 1750 ZARANDA HMOO7 - TGF 1 A - ESQUEMA UNIFILAR DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS DE PROCESADO DE CAFE SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M SISTEMA DE BARRAS DE 460 VOLTIOS 60 HZ - CIRCUITO DE FUERZA UBICADO DENTRO DEL TABLERO TGF1 CABLE TIPO THW AWG # 8 10 mm² ó 50 A TABLERO GENERAL DE FUERZA TGF1 32 A 50 A 32 A 18 A 17 - 25 A 32 A CABLE TIPO THW AWG # 8 ó 10 mm² P1 P 18 A 17 - 25 A PLANTA LEYENDA 32 A MOTOR DELCROSA 30 HP 460 Volt. 39.5 Amperios LINEA 22.5 Amperios FASE RPM 1750 P2 MOTOR DELCROSA 30 HP 460 Volt. 39.5 Amperios LINEA 22.5 Amperios FASE RPM 1750 PULIDORA HM008 - TGF 1 B - ESQUEMA UNIFILAR DE LAS MAQUINAS ROTATIVAS DE PROCESADO DE CAFE SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO NORMAS INTERNACIONALES IEC 947 Msc. ING. HUBER MURILLO M SEGUN NORMALIZACION IEC Y VDE SELECCION DE LOS IA NORMAS INTERNACIONALES IEC - VDE Msc. ING. HUBER MURILLO M HM COORDINACION TIPO I ( IEC 947 - 4 ) LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO CONTACTOR TRIPOLAR RELE TRIPOLAR MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. Ningún componente aparte del contactor y del relé de sobrecarga puede dañarse. El aislamiento debe conservarse después de la falla. Antes de poner en servicio nuevamnete, puede ser necesaria la reparación del contactor y/o substitución o calibración del relé de sobrecarga. ( # ) BARRAS DEL SISTEMA ARRANQUE DIRECTO MODELO 1 DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM1 F1 M 3 In Vn RPM HP/KW CENTRO DE CONTROL DE MOTORES 1.2 In …... KM1 1.1 In. F1 In. Tienen una tolerancia de 10%. DIMENSIONAMIENTO Datos técnicos nominales del motor trifásico. Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE DIRECTO MODELO 1 - A DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte 1.2 In …... ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM1 KM1 F1 INDIRECTO @ Tienen una tolerancia de 10%. DIMENSIONAMIENTO M 3 In Vn RPM HP/KW 1.1 In. Datos técnicos nominales del motor trifásico. @ VER DETALLE. F1 ver más adelante DIMENSIONAMIENTO Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas CENTRO DE CONTROL DE MOTORES HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE Y - MODELO 1 DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte 1.2 In …... ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM2 KM1 F1 M 3 In Vn RPM HP/KW CENTRO DE CONTROL DE MOTORES Datos técnicos nominales del motor trifásico. KM3 KM1 0.64 In. KM2 0.64 In. KM3 0.37 In. F1 0.58 In. DIMENSIONAMIENTO Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas HUBER MURILLO MANRIQUE TRANSITORIO ARRANQUE Y - EL TIEMPO DE TRANSICION ES MUY IMPORTANTE. El tiempo de cambio del temporizador de Y a TIEMPO DE TRANSICION es de 30 a 50 mseg. Cuando K3 se abre y K2 se cierra. Esto permitirá que algún arco originado durante la etapa de transición sea extinguido y evitar el riesgo de un cortocircuito. Los dos contactores, K2 y K3 deben estar necesariamente enclavados ( mecanica y electrica ) a fin de prevenir un cierre simultánea del contactor estrella y triángulo. APERTURA DE K3 Tiempo de arranque 0 … 30 seg. CIERRE DE K2 CIERRE DE K1 + K3 CONEXION Y CENTRO DE CONTROL DE MOTORES TIEMPO DE TRANSICION CONEXION HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE Y - MODELO 1 - A DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA 1.2 In …... Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM2 KM1 KM3 KM1 0.64 In. F1 INDIRECTO @ KM2 0.64 In. M 3 KM3 0.37 In. In Vn RPM HP/KW Datos técnicos nominales del motor trifásico. CENTRO DE CONTROL DE MOTORES Ver más adelante DIMENSIONAMIENTO Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas HUBER MURILLO MANRIQUE DETALLE MONTAJE DIRECTO DEL RELE TERMICO HACIA EL CONTACTOR R 97 98 95 S T R 1 3 5 2 4 6 96 RELE TERMICO DIRECTO I nominal directa INOMINAL IMINIMA IMÁXIMA SELECCION ESTANDAR R S T HACIA LA CARGA CENTRO DE CONTROL DE MOTORES HUBER MURILLO MANRIQUE DETALLE MONTAJE INDIRECTO DEL RELE TERMICO INOMINAL HACIA EL CONTACTOR IMINIMA IMÁXIMA SELECCION ESTANDAR R 97 RELE TERMICO INDIRECTO ESTANDAR 98 95 96 S T R 1 3 5 2 4 6 k K l K k l L R L K k l S L T CON TRES TRANSFORMAD ORES DE CORRIENTE ……. /5 - 1 A. MONTAJE CONECTADO A MASA HACIA LA CARGA CENTRO DE CONTROL DE MOTORES HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE POR REACTANCIAS ó RESISTENCIAS DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte KM1 KM2 L1 In Vn RPM HP/KW CENTRO DE CONTROL DE MOTORES ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM1 1.1 In. KM2 0.77 In F1 F1 1.2 In …... In DIMENSIONAMIENTO M 3 Datos técnicos nominales del motor trifásico. Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte KM1 AUTO In Vn RPM HP/KW KM3 M 3 CENTRO DE CONTROL DE MOTORES ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM2 F1 1.2 In …... KM1 1.1 In. KM2 1.1 In KM3 0.55 In Ver DETALLE DIMENSIONAMIENTO Datos técnicos nominales del motor trifásico. Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas HUBER MURILLO MANRIQUE ARRANQUE DIRECTO MODELO 1 DIMENSIONAMIENTO Vn , Fn ITM IA elegido IA Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte 1.2 In …... ……… ……… ………. ……… DIMENSIONAMIENTO KM1 KM2 F1 In Vn RPM HP/KW M 3 Datos técnicos nominales del motor trifásico. KM3 KM4 KM1 KM2 KM3 KM4 1.1 In. 0.64 In 0.55 In 0.35 In Ver DETALLE DIMENSIONAMIENTO Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas CENTRO DE CONTROL DE MOTORES HUBER MURILLO MANRIQUE COORDINACION TIPO 2 ( IEC 947 - 4 ) LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA GUARDAMOTOR CONTACTOR TRIPOLAR Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. No es permitido ningún daño ó desajuste del contactor, es admitido el riesgo que los contactos del contactor se peguen, siempre y cuando éstos puedan separarse facilmente. El aislamiento debe conservarse después de la falla. El sistema de arranque debe poder funcionar nueva mentedepués del corto circuito. Antes de poner en servico nuevamente, es suficiente una rápida inspección ( # ). MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio depués de la falla. BARRAS DEL SISTEMA ARRANQUE DIRECTO MODELO 1 Vn , Fn DIMENSIONAMIENTO GM (0.9 …. 1.2)In GM elegido …... GM Reg. Térmica Reg. Magnética ICC Poder de corte I> ……… ……… ………. ……… KM1 DIMENSIONAMIENTO KM1 M 3 In Vn RPM HP/KW 1.1 In. Tienen una tolerancia de 10%. Datos técnicos nominales del motor trifásico. DIMENSIONAMIENTO Idiseño = 1.25 In Para conductores y platinas CENTRO DE CONTROL DE MOTORES HUBER MURILLO MANRIQUE COORDINACION TOTAL ( IEC 947 - 6 ) LINEA DE ALIMENTACION TRIFASICA INTERRUPTOR, CONTACTOR Y PROTECCION INTEGRAL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO BARRAS DEL SISTEMA Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. No se permite ningún daño o soldadura en los componentes del sistema de arranque. Se puede poner en servicio nuevamente sin precauciones particulares. Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio depués de la falla. PROTECCION POR TEMPERATURA DE MOTORES TRIFASICOS UTILIZANDO RELES ELECTRONICOS MULTIFUNCION RED TRIFASICA CORRIENTE ALTERNA LLAVE TERMOMAG. CONTACTOR TRAFOS DE CORRIENTE LOS RELES ELECTRONICOS DE PROTECCION MULTIFUNCION ES UN EQUIPO IDEAL PARA APLICACIONES DE ALTA PERFORMANCE. SE GARANTIZA UNA TOTAL PROTECCION PARA LOS MOTORES PARA TODOS LOS CASOS Y BAJO TODAS CONDICIONES DE OPERACION. PERMITE EL CONTROL AUTOMATICO DE DIFERENTES METODOS DE ARRANQUE TAL COMO : . ARRANQUE DIRECTO ( REVERSIBLE ) . ARRANQUE ESTRLLA - TRIANGULO. . ARRANQUE CON DOS VELOCIDADES. TODAS LAS FUNCIONES SON PROGRAMABLES CON PARAMETROS LOCALISADOS DIRECTAMENTE ó USANDO UNA PC. PC MOTOR TRIFASICO RELE MULTI FUNCION PARA LA INTEGRACION DE LOS SISTEMAS ESTOS RELE CUENTAN CON FUNCIONES DE COMUNICACIONES PARA SER OPERADAS EN FORMA REMOTA.