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Generadores Sincronos (página 2)

Enviado por Pablo Llivicura



Partes: 1, 2

5.6. ¿Por qué se debe reducir la potencia de un generador de 60Hz si va a operar a 50Hz? ¿Cuánta reducción se debe llevar a cabo?

La potencia eléctrica se genera a 50 o 60Hz, por lo que el generador debe girar a una velocidad fija dependiendo del número de polos en la maquina. Por ejemplo para generar una potencia de 60Hz en una maquina de dos polos, el rotor debe girar a 3 600r/min. Para generar una potencia de 50Hz en una maquina de cuatro polos, el rotor debe girar a 1500r/min. La tasa de rotación requerida para cierta frecuencia siempre se puede calcular a partir de la ecuación:

fe=nmP120

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5.7. ¿Esperaría que un generador de 400Hz sea menor o mayor a un generador de 60Hz con la misma potencia y voltaje nominales? ¿Por qué?

Puede decirse que si moderadamente, siempre y cuando se cumplan ciertas condiciones. Básicamente el problema es que hay un flujo máximo al que se puede llegar en cualquier maquina, y debido a que EA=KØW, el EA máximo permitido cambia cuando cambia la velocidad. Específicamente si un generador de 400Hz va a operar a 60Hz, entonces el voltaje de operación debe degradar a 60/400, o a 83.3% de su valor original. Y si un generador de 60Hz va a operar en uno de 400Hz ocurre lo contrario.

5.8. ¿Qué condiciones son necesarias para conectar en paralelo dos generadores síncronos?

La figura muestra un generador síncrono G1 que suministra potencia a una carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con G1 por medio del cierre del interruptor 1.

Se deben cumplir las siguientes condiciones:

  • Deben ser iguales los voltajes de línea rms de los dos generadores.

  • Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase

  • Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales.

  • La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, deben ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación.

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Generador que se conecta en paralelo con un sistema de potencia en operación.

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para de dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud de voltaje rms.

Los voltajes en las fases a y a` serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la condición.

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Fig 5 Esquema de secuencia de fases.

La condición 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente en la figura 2a entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120º. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas maquinas.

5.9. ¿Por qué el generador en aproximación en un sistema de potencia debe conectarse en paralelo a una frecuencia más alta que la del sistema en operación?

La frecuencia del generador en aproximación se ajusta para que sea un poco más alta que la frecuencia del sistema en operación. Esto se lleva a cabo primero observando un medidor de frecuencia hasta que las frecuencias sean similares y entonces se observen los cambios de fase entre los sistemas. Se ajusta el generador en aproximación un poco más alta para que cuando se conecte se incorpore a la línea suministrando potencia como generador, en lugar de consumirla como lo hace un motor.

Una vez que las frecuencias son casi iguales, los voltajes en los dos sistemas cambian de fase muy lentamente con respecto al otro. Se observan los cambios de fase y cuando los ángulos de fase son iguales, se apaga el interruptor que conecta a los dos sistemas.

5.10. ¿Qué es un bus infinito? ¿Qué restricciones impone sobre un generador que está conectado en paralelo con él?

El bus infinito es una idealización de un sistema de potencia, el cual es tan grande que en él no varían ni el voltaje ni la frecuencia, siendo inmaterial la magnitud de las potencias activas o reactivas que se toman o suministran a él. Puede pensarse en el bus infinito como una supermáquina equivalente de dimensiones descomunales, que nada que se haga sobre él puede causarle mucho efecto.

La supermáquina anterior es el equivalente inercial y eléctrico de todos los generadores conectados a él. La figura 3.1 muestra un sistema de bus infinito.

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Fig. 3.1. Bus Infinito

 

La figura 3.1 muestra también como las cargas se conectan al bus infinito para obtener potencia.

 

La transmisión de potencia se hace normalmente con altos voltajes (cientos de KV), para reducir pérdidas. Sin embargo la generación se realiza a menores voltajes (20-30 KV). Se usan transformadores para cambiar los niveles de voltaje. Se usa uno para elevar el voltaje de generación hasta el bus infinito y las cargas reciben de él energía con un nivel de voltaje reducido por varias etapas de transformadores.

 

En las plantas generadoras, los generadores sincrónicos son conectados y desconectados, dependiendo de la demanda de energía en el bus infinito. La operación de conectar un generador sincrónico al bus infinito es conocida como sincronización con el bus infinito.

RESTRICCIONES:

El bus infinito restringe a la frecuencia y al voltaje en los terminales al ser constante y en los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo varía las potencias real y reactiva.

SINCRONIZACION

 

SINCRONIZACION: Poner en paralelo dos fuentes: nuestro generador y el bus infinito.

 

Cuando un generador se pone en paralelo con otro generador o con un sistema grande (bus infinito), debemos tener las siguientes situaciones:

 

  • Voltajes iguales.

  • Misma frecuencia.

  • Igual secuencia de fases.

  • Idéntica fase.

 

En la planta generadora, el cumplimiento de estas condiciones es verificada por el aparato llamado "sincronoscopio", aunque podemos realizar la sincronización con lámparas, mediante el siguiente esquema (ver fig. 3.2).

 

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Fig. 3.2. Diagrama esquemático para la sincronización

de un generador con el bus infinito.

 

Aquí las lámparas nos indican que está sucediendo en todo momento con las condiciones de sincronización. La máquina prima puede ser una máquina de C.C., la cual ha de ajustarse para que la frecuencia del generador y la del bus infinito, sean iguales. La corriente If se ajusta de manera que V1 (bus) sea igual a V2 (generador).

 

Presentaremos a continuación varias situaciones de sincronización comunes en las que se pudiese encontrar un operario al tratar de sincronizar un generador con el bus infinito.

 

Nombremos primero a los voltajes de esta forma:

 

EA, EB, EC : Voltajes del bus infinito.

 

Ea, Eb, Ec : Voltajes del generador sincrónico.

 

EAa, EBb, ECc : Voltajes aplicados a las lámparas de sincronización.

(La magnitud de éstos representan el brillo de las lámparas).

 

CASO I. Voltajes diferentes, pero frecuencia y secuencia iguales.

 

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Ante esta condición, las lámparas tendrán un brillo constante e igual para todas. Para corregir esto, basta con ajustar If hasta que el brillo de las lámparas sea nulo, es decir, V1=V2. Luego entonces podremos cerrar los interruptores para concluir la sincronización.

 

CASO II. Frecuencias diferentes, pero voltajes y secuencia iguales.

 

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Para este caso, las lámparas tendrán un brillo fluctuante, pero igual para todas. Las lámparas encenderán y apagarán a la frecuencia w R. Este caso ocurre porque la frecuencia de la máquina prima es diferente a la del bus. Así que para corregir la sincronización, debemos variar la velocidad de la flecha de la máquina prima, pero debemos ajustar If para mantener los voltajes iguales, porque el voltaje Ea depende de la frecuencia:

Eaf = 4.44f KwNPHf f

 

Cuando se hacen estas correciones, la frecuencia del brillo de las lámparas se reduce, así que cuando la intensidad de la luz de los focos cruce lentamente por cero, cerramos los interruptores y listo. No debemos esperar que las frecuencias se igualen exactamente porque es casi imposible, así que podemos esperar a que se aproximen lo suficiente para culminar la sincronización.

 

CASO III La secuencia de fase es incorrecta, todo lo demás está correcto.

 

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Ante este caso las lámparas tendrán un brillo diferente cada una debido a la inversión de fases. Para corregir esto, basta con sólo cambiar dos cables entre sí para que la secuencia sea correcta. (A-B, B-C, C-A).

 

CASO IV La fase no es igual, pero voltaje, frecuencia, y secuencia de fase, idénticas.

 

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Aquí las lámparas encenderán y apagarán con la misma intensidad todas a la frecuencia w s, por lo que para el ojo humano tendrán un brillo constante. Sólo basta alterar levemente la velocidad de la máquina sincrónica, para ajustar las fases. Cuando la intensidad de las lámparas sea cero, cerramos los interruptores.

 

Los casos anteriores son un tanto idealizados, pero los casos reales son por lo general, combinaciones de ellos. El operador debe saber identificarlos y determinar el proceso para corregir la sincronización. Nótese que las lámparas deben tener capacidad para el doble de voltaje de la línea, porque en algunos casos se tendrán aplicados estos voltajes a los focos.

 

· DIAGRAMAS FASORIALES

 

Regresemos al circuito equivalente obtenido antes para enfocarnos en su diagrama fasorial para tratar de extraer más información acerca de su funcionamiento. Los diagramas muestran relaciones entre voltajes y corrientes para la máquina. Los gráficos son hechos tomando como referencia el voltaje en terminales.

 

Generador: se caracteriza porque la corriente de la fase sale de la máquina. Dibujemos

el circuito equivalente por fase completo tomando en cuenta lo anterior.

 

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Aplicando ley de voltajes de Kirchoof al modelo tenemos que:

 

Eaf = jXAIa + jXalIa + RaIa + Vt

del cual haremos un diagrama fasorial para ver algunas relaciones.

 

Definamos Xs = XA + Xal ¬ Reactancia sincrónica y

Zs = Ra + jXA + jXal

Zs = Ra + jXs ¬ Impedancia sincrónica

 

Diagrama Fasorial

 

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donde ER = jXalIa + RaIa + Vt

 

Recordemos que sucede en la máquina con sus flujos:

 

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Donde podemos concluir lo siguiente:

 

Bfp Ð BRP = l af Ð l R

 

BRP Ð Bsp = l R Ð l as

 

Bfp Ð Bsp = l f Ð l as

 

En la práctica encontramos valores de Ra muy bajos, al igual que para Xal, por lo que es válido hacer algunas simplificaciones al circuito equivalente y al diagrama fasorial; quedando así un modelo más sencillo, útil y del cual podemos extraer información del funcionamiento de la máquina más fácilmente.

 

Hagamos Ra = Xal = 0. El modelo queda así:

 

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Diagrama Fasorial

 

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5.11. ¿Cómo se puede controlar la repartición de potencia real entre dos generadores sin afectar la frecuencia del sistema? ¿Cómo se puede controlar la repartición de potencia reactiva entre dos generadores sin afectar el voltaje en los terminales del sistema?

El incremento en los puntos de ajuste del mecanismo regulador de un generador incrementa la potencia de la maquina y aumenta la frecuencia del sistema. La disminución en los puntos de ajuste del mecanismo regulador en el otro generador disminuye la potencia de la maquina y la frecuencia del sistema. Por lo tanto, para ajustar la repartición de potencia sin cambiar la frecuencia del sistema se deben incrementar los puntos de ajuste del mecanismo regulador del otro generador. De manera similar, para ajustar la frecuencia del sistema sin cambiar la repartición de potencia, se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambos puntos de ajuste del mecanismo regulador.

Los ajustes a la potencia y voltajes en los terminales funcionan de manera análoga. Para desplazar la repartición de la potencia reactiva sin cambiar VT, se debe incrementar simultáneamente la corriente de campo en el otro. Para cambiar el voltaje en los terminales sin afectar la repartición de potencia reactiva se deben incrementar o disminuir simultáneamente ambas corrientes de campo.

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Autor:

Pablo Llivicura

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