práctica nº 4 funcionamiento en paralelo de los alternadores

LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS ROTATIVAS DE AC - GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA

ING HAROLD JOS DAZ M. MSC- GRUPO DE DE CONVERSIN DE ENERGA 1

PRCTICA N 4: FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LOS ALTERNADORES

4.1 OBJETIVOS Estudio de las condiciones que deben cumplirse para el funcionamiento correcto de alternadores sincrnicos en paralelo: proceso de sincronizacin y reparticin de carga. 4.2 CONCEPTOS BSICOS 4.2.1 Definiciones La red de distribucin de energa se alimenta por varios generadores operando en paralelo. A medida que fluctan las demandas de carga y con el fin de permitir reparaciones y mantenimiento, se adicionan y retiran unidades de la lnea. Aunque la potencia de un hidrogenerador puede llegar hasta los 800 MVA y en los turbogeneradores hasta 1600 MVA. Esta, es muy pequea comparada con el sistema, que se alimenta de muchos alternadores (en Colombia 13.5 GW). En estas circunstancias, un cambio de condiciones en un alternador tendr un efecto despreciable sobre las caractersticas de lnea y el anlisis del generador se basa en la suposicin de que se conecta a un barraje infinito, esto es, una conexin terminal para la cual el voltaje y la frecuencia son absolutamente constantes. En contraste con el barraje infinito, si solo se conectan en paralelo dos generadores de especificaciones comparables, los cambios en un generador afectarn las caractersticas terminales de ambos y las condiciones internas del segundo. No se puede aislar la operacin de un generador cuando se varan sus caractersticas electromagnticas, de la operacin de su primo-motor (turbina de gas, vapor, hidrulica, motor de combustin, etc.). Todos los primo-motor poseen caractersticas de potencia velocidad con tendencia a la cada: cualquier cambio en la potencia de salida del generador requiere ser igualado por un cambio en la potencia de salida del motor. As, para mantener una frecuencia constante, un cambio en la potencia del generador requiere un ajuste en los controles del motor. 4.2.2 Justificacin para la puesta en paralelo de los alternadores a. Si hay un solo grupo y este queda fuera del sistema se pierde toda la potencia

de la central. b. Una sola unidad grande, para conseguir su mxima eficiencia, debe funcionar

a su carga nominal. Por tanto, no resulta econmico operar una unidad grande con cargas pequeas.



c. Varias unidades pequeas pueden ponerse en servicio o quitarse segn la fluctuacin de la demanda.

d. En caso de reparacin las unidades pequeas facilitan el mantenimiento desde el punto de vista de la reserva y las pequeas reparaciones.

e. Al aumentar la demanda media del sistema y de la central, pueden instalarse nuevos grupos que se aaden para atender esa demanda.

f. Existe un lmite fsico y econmico a la posible capacidad de un solo grupo. 4.2.3 Condiciones necesarias para funcionamiento en paralelo de los

alternadores. Los requisitos bsicos para el funcionamiento en paralelo (figura 4.1) de cualquier tipo de fuente de tensin son: a. Las caractersticas de tensin carga de las fuentes deben ser iguales o

similares. b. Las polaridades de las fuentes deben ser iguales y opuestas entre si en

cualquier instante.

Figura 4.1 Funcionamiento en paralelo de alternadores monofsicos.

Estos requisitos bsicos deben ampliarse para aplicarlos a los generadores de corriente alterna as:

1. la magnitud de la tensin en bornes del alternador a conectar debe ser igual a la de la red. Si la magnitud de la tensin es mayor o menor (y de cumplirse las otras condiciones), en el momento de conexin aparecera un transitorio que reduce la vida til de la mquina. Este transitorio a cabo de



un instante llegar normalmente a periodo estable, dando finalmente una corriente circulante activa entre la red y el alternador que lo colocar en funcionamiento como generador motor segn corresponda. Es preferible la conexin cuando la tensin en bornes del alternador es mayor, ya que entrara como generador, de lo contrario, se motorizara y l relee de secuencia inversa lo sacara del sistema.

2. la polaridad de cada fase del alternador a conectar debe ser igual a la

polaridad de la misma fase de la red. Esta es quiz el requisito ms importante, ya que de realizar la conexin con fases de distinta polaridad (ej.: A alternador y C red) el alternador invertir su sentido de giro, evento que puede ser catastrfico para la planta, el personal de operacin y el sistema energtico.

3. la frecuencia del alternador a conectar debe ser igual a la de la red. En

este caso si la frecuencia del alternador es mayor menor (y de cumplirse las otras condiciones), el generador entrar en un periodo transitorio donde se acelerar y luego frenar hasta llegar al periodo estable, periodo en el cual circular una corriente reactiva, la cual si la frecuencia inicial es mayor que la de la red causar que el alternador quede consumiendo reactivos. Si la frecuencia es menor que la de la red al final entregar reactivos.

4. El sistema fasorial del generador debe estar en fase con el de la red.

Esto quiere decir que teniendo igual: polaridad, frecuencia y magnitud de tensin, puede existir un desfase entre los sistemas de fasores. Este problema se puede observar en el sincronoscopio o un osciloscopio. Se corrige colocando un breve instante los frenos del alternador.

4.2.4 Sincronizacin de alternadores monofsicos Para mayor facilidad se consideran inicialmente alternadores monofsicos en paralelo. El cumplimiento de los requisitos enumerados en 2.3 (a excepcin del 6) se puede verificar con ayuda de dos bombillas como se indica en la figura 4.2a. Las bombillas estarn siempre apagadas si las dos ondas son de igual frecuencia, forma y valor eficaz de tensin, puesto que la tensin resultante en la malla interna es cero.

Figura 4.2 Sincronizacin de alternadores monofsicos. a) Mtodo bombilla

apagada y b) Mtodo de bombilla encendida.



La sincronizacin se consigue cuando las tensiones V1 y V2 son iguales y las bombillas estn apagadas. En ese instante puede cerrarse el interruptor de acople SA poniendo en paralelo los alternadores. El mtodo de sincronizacin con bombillas apagadas tiene 2 inconvenientes.

a. Puede existir una diferencia de tensin y sin embargo la bombilla se ve apagada.

b. No se sabe el instante exacto en el que la tensin es cero. Para obviar estos inconvenientes se utiliza el mtodo de bombilla encendida de la figura 4.2b. Ahora tiene lugar el mismo brillo cuando las tensiones son iguales y opuestas, es decir, la tensin resultante es cero. Este mtodo es ms seguro por qu el ojo humano es bastante sensible a las diferencias de la intensidad de la luz. 4.2.5 Corriente sincronizante circulatoria La corriente sincronizante que circula entre los dos inducidos de los alternadores entre un alternador dado y el barraje se puede expresar:

)()( 21212121

SSaa

r

gg

ggS XXjRR

EZZEE

I +++=+= (4.1)

En donde:

SI Corriente sincronizante

rE Es el vector diferencia entre las tensiones generadas de los alternadores, por fase.

aR y SX son las resistencias del inducido y la reactancia sincrnica,

respectivamente, para cada alternador, por fase. Esta corriente sincronizante, que solo circula por la malla interna, est limitada nicamente por la impedancia sincrnica de los dos alternadores. 4.2.6 Sincronizacin de alternadores polifsicos. Todo lo dicho en relacin con los alternadores monofsicos es aplicable igualmente a los alternadores polifsicos, ya que todas las consideraciones y clculos se aplican a una fase.



Las nicas diferencias aparecen en el mtodo de sincronizacin y en el criterio de orden de sucesin de fases (N. 2 del numeral 4.2.3). Sincronoscopio En condiciones reales de funcionamiento puede resultar difcil a veces, utilizando bombillas, averiguar si el alternador que va a conectarse va lento o rpido. Se ha desarrollado un instrumento llamado sincronoscopio, con una aguja giratoria (figura 4.3) que indica si la mquina que va a conectarse va lenta o rpida y un ndice fijo que seala el instante preciso de sincronizacin en que debe cerrarse el interruptor de puesta en paralelo.

SINCRONOSCOPIO

SLOW FAST

Figura 4.3 Sincronoscopio

4.2.7 Reparticin de carga entre alternadores en paralelo Cuando los generadores de C.C. funcionan en paralelo, puede aumentarse o disminuirse la carga sobre cualquiera de ellos elevando o disminuyendo su excitacin de campo. Este no es el caso cuando un alternador est en paralelo con otro, siendo el efecto de la variacin de la excitacin nicamente establecer una corriente circulatoria en cuadratura sin afectar materialmente la potencia proporcionada. Una explicacin sencilla de este comportamiento es que la potencia elctrica de salida de un alternador es superior a la diferencia entre la potencia mecnica de entrada y sus propias prdidas interiores, por lo que, en general, como la variacin de la excitacin afecta a las prdidas nicamente en pequeo grado, solo podr variarse la potencia de salida mediante una variacin correspondiente en la potencia mecnica de entrada. Lo que significa que la divisin de la carga entre alternadores en paralelo solamente puede regularse mediante el ajuste de la potencia de entrada con los motores primarios, es decir, manipulando las vlvulas que regulan el suministro de vapor a un alternador impulsado por mquina o por turbina, o el suministro de agua a una unidad hidrulica.



En general su pude concluir que el ajuste de la excitacin del campo de un alternador no afecta la potencia activa de salida cuando est en paralelo con otros, ya que dems mantienen constante la tensin del barraje. Al aumentar o disminuir la corriente de excitacin se producir una corriente circulatoria en cuadratura que se traducir en potencia reactiva que se entrega o consume. Esta corriente causa calentamiento en los devanados, pero har que la mquina sea ms estable o inestable ante los disturbios de la red. 4.3 TRABAJO DE LABORATORIO 4.3.1 instalar tres alternadores, cada uno con sus respectivos instrumentos de

medida y tableros de sincronizacin como se indica en la figura 4.4. 4.3.2 Verificar las condiciones para la puesta en paralelo del generador c y

efectuar el acople con la red. Observar el funcionamiento del generador entregando y tomando potencia activa y reactiva.

4.3.3 Cargar el alternador a y tomar la lectura de los instrumentos. La carga

debe permanecer constante a tensin y frecuencia nominal. 4.3.4 Verificar las condiciones para la puesta en paralelo y efectuar el acople con

el generador b. 4.3.5 Hacer que el alternador b tome el 50% de la carga total conservando

tensin y frecuencia nominal. 4.3.6 Aumentar la excitacin de uno de los alternadores y disminuir la del otro. 4.3.7 Disminuir la potencia del generador a hasta que su ampermetro marque

cero conservando tensin y frecuencia nominal. 4.3.8 Verificar las condiciones para la puesta en paralelo y efectuar el acople del

generador c con a y b. 4.3.9 Hacer que el alternador c tome el 50% de la carga total conservando

tensin y frecuencia nominal. 4.3.10 Aumentar la excitacin de c y disminuir la del otro. 4.3.11 Desconectar el primotor de a y verificar que a se ha convertido en un

motor sincrnico.



Figura 4.4 Alternadores en paralelo



4.4 EQUIPOS Y MATERIALES



4.5 INFORME 4.5.1 Dibujar el esquema elctrico del circuito utilizado, incluyendo el tablero de

sincronizacin, en la puesta en paralelo de dos alternadores. 4.5.2 Hacer un resumen, en el orden lgico, de las etapas necesarias para poner

un alternador en paralelo con otro ya conectado a un barraje (incluyendo reparticin de la carga)

4.5.3 Explicar brevemente el funcionamiento de un tipo de sincronoscopio. 4.5.4 Con ayuda de un esquema explicar el mtodo de conexin de 2 bombillas

encendidas. 4.5.5 Indicar los mtodos utilizados para determinar la secuencia de fase de los

alternadores. 4.5.6 Cual es el procedimiento a seguir para transferir potencia de un generador a

otro, si ambos estn en sistema aislado, y adems, se debe mantener la tensin y frecuencia al usuario.

4.5.7 Cuando se realiza la conexin de un generador con la red, que es

preferible, la conexin a mayor o menor frecuencia, por qu? Entregar o consumir potencia activa o reactiva, por qu?

4.5.8 Cuando se realiza la conexin de un generador con la red, que es

preferible, la conexin a mayor o menor tensin, por qu? Entregar o consumir potencia activa o reactiva, por qu?

4.5.9 Explicar brevemente cual es la funcin dentro de un sistema interconectado

de los generadores que regulan tensin, frecuencia y carga. Como lo hacen?



4.6 BIBLIOGRAFA [1]. IEEE Std 115-1995 Guide Test Procedures for Synchronous Machines [2]. EC 34-4-1980, Rotating electrical machines. [3]. NTC 1515-1999, Maquinas elctricas rotatorias. mtodos para determinar

mediante ensayos las magnitudes de maquinas sincrnicas. [4]. KOSOW, Irving Mquinas Elctricas y transformadores Editorial

Reverte. [5]. DAWES, Chester Tratado de electricidad Tomo II Editorial Gustavo

Hili. [6]. LANGSDORF, Alexander Teora de las mquinas de corriente alterna

Ed. Mc Graw-Hill. [7]. Enciclopedia CEAC de Electricidad Mquinas de corriente alterna

Editorial CEAC. [8]. SCHNTTZLEIN, Augusto Acoplamiento de alternadores Editorial Gili. [9]. GINGRICH W., Harold Mquinas Elctricas, Transformadores y Controles

Editorial Prentice-Hall.

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