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Puesta en paralelo de alternadores



  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Fundamentos teoricos
  4. Conclusiones
  5. Referencias

Resumen

En el presente trabajo se discute el tema
de poner en paralelo generadores síncronos y las
consideraciones que deben ser tomadas en cuenta al momento de su
montaje, para esto se ha tomado como referencia los respectivos
fundamentos teóricos, mediante los cuales primero
realizaremos una pequeña introducción que describa
a los generadores síncronos, para luego realizar un
estudio de los motivos del porque es necesario la puesta en
paralelo de los generadores, estudiar las condiciones necesarias
para el montaje en paralelo de dos o más generadores y el
respectivo procedimiento para realizar el paralelo de generadores
y luego estudia las maniobras para el acoplamiento y por ultimo
revisar de manera breve del control electrónico de las
instalaciones modernas, nos centraremos sobre el punto de la
sincronización del generador que se va a montar a la
barra, mediante una simulación realizada en el programa
matlab, y también sobre el procedimiento de toma de
carga.

I.
INTRODUCCIÓN

Dentro de nuestro cotidiano vivir ocupamos
energía eléctrica sin darnos cuenta acupamos
elementos que funcionan por medio de tensiones, en la industria
es un elemento fundamental para su producción, pero al
momento en el que existe un corte de energía, todas
nuestras actividades se ven truncadas y dentro de la industria
esto puede representarse como perdidas de dinero, para estos
casos existen los generadores de tensión, pero en una
industria las potencias que se demandan son altas por lo que si
se conecta un solo generador que pueda abastecer la demanda de
potencia de una fabrica sería la solución, pero
técnicamente esto es erróneo ya que cuando no se
trabaje a la potencia nominal la eficiencia de la maquina
disminuirá y si existiese un daño en la maquina
nuevamente representaría perdidas en la producción,
por este motivo se utiliza el paralelo de generadores
síncronos porque un daño en una de las maquinas
disminuye la potencia pero no desabastece la energía y
además se puede controlar el subministro de potencia con
lo que se mejoraría la eficiencia y confiabilidad sobre el
sistema.

II. FUNDAMENTOS
TEORICOS

A. Introducción.

Los generadores síncronos se
clasifican por su construcción en: campo giratorio y
armadura giratoria, por su tipo de excitación en
autoexcitados y excitación separada, y por su tipo de
rotor en: polos salientes; para velocidades iguales o menores de
1800 RPM y polos lisos; para generadores síncronos
autoexcitados ya no requieren de escobillas y los de
excitación separada requieren de escobillas y en lugar del
conmutador utilizan anillos rozantes.

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Fig 1. Estructura Del Generador
Síncrono.

B. Motivos para la utilización de
los generadores síncronos en paralelo

Al igual que le ocurre a las
dínamos, a veces es preciso acoplar eléctricamente
dos o más alternadores. En nuestro caso el de la
compañía suministradora y el que nosotros
acoplaremos en el taller. El acoplamiento de los alternadores
resulta más complejo que el de las dínamos, debido
a la presencia de una nueva característica, la frecuencia,
cuyo valor debe ser rigurosamente igual para todos los
alternadores. En los alternadores no se usan nunca el
acoplamiento en serie por no presentar interés
práctico. Además, el funcionamiento de un
acoplamiento de alternadores en serie es inestable y peligroso.
Es asi que varios generadores pueden alimentar una carga mucho
mayor que una sola máquina. Tener varios generadores
incrementa la confiabilidad del sistema, debido a que si se
presenta alguna falla de cualquiera de ellos no produce la
pérdida total de potencia en la carga. Tener varios
generadores que velocidades iguales a 3600 RPM. Los operan en
paralelo permite que sea posible separar uno o más de
ellos para cortes de potencia y mantenimientos preventivos. Se
utiliza un solo generador y este opera cerca de plena carga,
entonces será relativamente ineficiente. Con varias
máquinas más pequeñas trabajando en
paralelo, es posible operara solo una fracción de ellas.
Las que están operando lo hacen casi a plena carga y por
lo tanto de manera más eficiente.

C. Condiciones requeridas para operar en
paralelo

Para conectar generadores trifásicos
en paralelo es necesario cumplir ciertas condiciones, 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 (S1). Si el
interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento,
es posible que los generadores se dañen severamente y que
la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente
iguales en cada uno de los generadores que se conectan juntos,
habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el
interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres
fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y
ángulo de fase que el conductor al que se conectara. En
otras palabras, el voltaje de fase a debe ser exactamente igual
al voltaje en la fase a" y así en forma sucesiva para las
fases b-b` y c-c`. Para lograr esto se deben cumplir las
siguientes condiciones de puesta en paralelo:

  • Deben de ser iguales los voltajes de
    línea rms.

  • Los dos generadores deben tener la
    misma secuencia de fase.

Los ángulos de fase de las dos
conectan los generadores de esta manera

fases deben de ser iguales.

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

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Fig 2. Generador 2 a punto de ser puesto en
paralelo al generador 1

Estas condiciones requieren de ciertas
explicaciones:

Monografias.comLa primera condición: para que 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 3. Esquema de secuencia de
fases.

Para la segunda condición, esta
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 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 no habrá
problema con la fase a, pero fluirá enormes corrientes en
las fases b y c, lo que dañara ambas
máquinas.

D. Procedimiento general para conectar
generador en paralelo.

1. Verificar que los voltajes generados y
de barra sean iguales.

Utilizando voltímetros se debe
ajustar la corriente de campo del generador en
aproximación hasta que su voltaje en los terminales sea
igual al voltaje en línea del sistema en
operación.

2. Sincronización del generador que
sera puesto en paralelo.

La secuencia de fase del generador en
aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del
sistema en operación.

Existen muchas forma de comprobar esto una
de ellas es conectar alternativamente un pequeño motor de
inducción a los terminales de cada uno de los dos
generadores. Si el motor gira en la misma dirección en
ambas ocasiones, entonces, entonces la secuencia de fase es la
misma en ambos generadores. Si el motor gira en direcciones
opuestas, entonces las secuencias de fase son diferentes y se
deben invertir dos de los conductores del generador. Otra manera
simple es el método de las tres lámparas
incandescentes. La operación comienza arrancando la
maquina por medio del motor primario teniendo en cuenta que se
deben prender y apagar al mismo tiempo las tres lámparas
esto indica que existe la misma secuencia de fase, si prenden y
apagan muy rápido esto es debido a que tiene diferentes
frecuencias esto se arregla subiendo la velocidad del primario
motor,

Monografias.comesto se hace aumentando el flujo con el
reóstato de campo, si prenden y apagan en desorden esto
indica que no tienen la misma frecuencia de fases esto se hace
intercambiando la secuencia de fases del alternador hacia la
red.

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Fig 4. Sincronización del generador
por medio de un sincronoscopio de lámparas.

Si a un generador que va a ser acoplado en
paralelo presenta un pequeño desfase entre frecuencias, va
a llegar un momento en el cual la diferencia de potencial entre
las dos señales de tensiones igual al doble de la
tensión nominal de generación, lo que
causaría un corto circuito a gran magnitud, mediante una
simulación en matlab de dos señales con frecuencias
que varían entre sí una decima es posible darnos
cuenta de este fenómeno. Utilizaremos una señal de
tensión de 100 voltios a una frecuencia de 60Hz y la
segunda será una señal de 100 voltios a una
frecuencia de 59.9Hz así:

Código Fuente:

Mediante el siguiente código podemos
graficar los dos modelos de ondas para analizar qué es lo
que sucederá:

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Monografias.comGrafica Obtenida:

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Fig 5. Señales De La Tensión
De Barras

Desfasada a la tensión del
generador

De la grafica de la figura 5 es posible
apreciar que en el instante de tiempo t =

13000ms, es decir, en donde está
encerrado en un círculo rojo, podemos observar que
así la frecuencia del generador sea muy próxima a
la frecuencia de la barra de generación se va a dar un
momento en el cual se produzca un cortocircuito que puede causar
la destrucción de la maquina o causar daños en la
barra de generación, por este motivo es necesario tener el
cuidado necesario al momento de sincronizar un generador con la
barra de generación.

3. Método de toma de carga. Cuando
un generador síncrono se conecta a un sistema de potencia,
a menudo el sistema de potencia es tan grande que ninguna de las
acciones del operador del generador tendrá gran efecto en
el sistema de potencia. Este fenómeno se idealiza con el
concepto de bus infinito el cual es un sistema de potencia tan
grande que su voltaje y frecuencia no cambian sin importar que
tanta potencia real y reactiva se le demande o se le
suministre.

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Fig 6. Generador síncrono que
opera en paralelo con un bus infinito.

A este proceso de operación de
generadores en paralelo con grandes sistemas de potencia se le
conoce también como proceso para tomar carga.

Una vez que la maquina cumple con los pasos
anteriores de lograr sincronizar al generador este está
listo para ser conectado al sistema de generación o barra,
si se considera el caso de que esta máquina, se conecta a
barras sobre las cuales existen ya trabajando otras
máquinas, tales que sus potencias son muy superiores a la
del generador que va a ser conectado, de manera que ésta
no puede alterar la tensión de barras. Esto quiere decir
que conectada la máquina esta no recibe ni entrega
energía. Entonces para que la maquina entregue
energía porque eso el lo que buscamos nos vamos a
encontrar con los siguientes casos:

3.1. Caso 1.

La máquina en vacío:
será I = 0, d = 0, E0 = VL porque el estar en vacío
su fem

la que coincide con la tensión de
barras.

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Fig 7. Diagrama Fasorial Una Vez
Conectado

El Generador.

3.2. Caso 2.

Si se aumenta la velocidad del primotor.
Como d es una medida de la potencia desarrollada, el incremento
de velocidad resultará en un avance del voltaje generado
sobre u en un ángulo d. Por lo que fluirá una I
perpendicular a j.Xd. I, en conclusión entrega corriente a
la red.

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Monografias.comFig 8.
Diagrama Fasorial Al Momento De

Incrementar La Velocidad

3.3. Caso 3

Se varía solamente la corriente de
excitación.

Sobreexcitado: La corriente se retrasa un
ángulo de p /2

Subexcitado: La corriente se adelanta un
ángulo de p/2

Monografias.comEn
conclusión, se produce una corriente reactiva
pura.

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Fig 9. Diagrama fasorial al momento de
incrementar la corriente de excitación

3.4. Caso 4.

Se aumenta la velocidad del primotor y la
corriente de excitación, lo que produce una diferencia de
tenciones entre la tensión del generador y la de
línea, entonces la corriente aumenta, con lo que nos
permite mejorar el cos ? del sistema.

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Fig 10. Diagrama fasorial al momento de
incrementar tanto la velocidad como la corriente de
excitación

Entonces cuando un generador opera en
paralelo con un bus infinito tenemos que:

– El sistema al que se conecta el generador
controla la frecuencia y voltaje en los terminales del
generador.

– Los puntos de ajuste del mecanismo
regulador del generador controlan la potencia real suministrada
al sistema por el generador.

– La corriente de campo en el generador
controla la potencia reactiva suministrada al sistema por el
generador.

En conclusión el procedimiento para
poner en paralelo generadores síncronos se lo puede
resumir en los siguientes pasos:

1. Se acelera la máquina al
número de r.p.m. nominales

2. Se sincroniza la maquina es
decir:

– Se regula la excitación hasta que
la fem de bornes sea igual a la de línea

– Se entra en sincronismo

3. Se conecta al interruptor

4. Se realiza el proceso de toma de carga,
es decir:

– Se aumenta la velocidad del
primotor.

– Se aumenta la corriente de
excitación.

E. Maniobras de acoplamiento.

El acoplamiento de un alternador a la red
exige la máxima atención por parte del o los
operarios encargados de dicha operación. Se pone en marcha
el motor de corriente continua que acciona el alternador y
seguidamente se maniobra sobre el regulador de velocidad hasta
conseguir que ésta sea lo más aproximada posible a
la velocidad síncrona correspondiente a la frecuencia de
la red. Para comprobarlo se observa el frecuencímetro
conectado a los bornes del generador. Se maniobra el
reóstato que regula la intensidad de la corriente de
excitación que recorre las bobinas inductoras hasta
conseguir que la fuerza electromotriz generada en el bobinado
inducido del alternador (medida por su voltímetro V) sea
algo superior que la tensión de la red. Efectuadas la
maniobras anteriores, es preciso afinar la igualdad de
frecuencias y tensiones, al mismo tiempo hay que observar el
sincronoscopio.

F. Modernas instalaciones.

En las modernas instalaciones se emplea
unas columnas de sincronización, compuestas por un brazo
saliente y giratorio del cuadro general de la central y que tiene
dos voltímetros (red y generador), dos
frecuencímetros (red y generador) un voltímetro de
cero y un sincronoscopio de aguja. En las centrales
automáticas o con telemando, el acoplamiento se hace
automáticamente con la ayuda de equipos
electrónicos.

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Fig 11. Sistema de control
electrónico para sincronización para un
generador

IV.
CONCLUSIONES

Como conclusión general podemos
decir que el acoplamiento en paralelo de los generadores es un
método por el cual el sistema de generación se hace
más eficiente y confiable, pero tenemos que ser muy
cautelosos en el procedimiento de la puesta en paralelo de
generadores síncronos ya que un error podría causar
daños tanto en el generador como en el sistema de
generación, tenemos que tener especial cuidado en la
sincronización del generador puesto que de esto depende el
acoplamiento correcto.

Como conclusiones generales podemos anotar
que:

_ Aunque no es necesario es lo más
recomendable que los generadores a usarcé para realizar el
acople de generadores en paralelo deben ser comprados al mismo
fabricante y poseer las mismas características
técnicas.

_ La sincronía implica que las
frecuencias entre la barra de generación y el generador a
ser montado sean las mismas ya que como pudimos observar en la
simulación existen partes en las que la diferencia de
potencial será el doble de la tensión normal lo que
generara un corto circuito de tensiones muy elevadas.

_ Una vez conectado el generador a la barra
de generación tenemos que tomar en cuenta la toma de carga
a fin de garantizar que el generador acoplado entregue potencia
al sistema.

_ Tenemos que tener muy en cuenta que un
sistema de montaje en paralelo de generadores no es tan sencillo
como se muestran en los gráficos, por lo contrario es un
sistema muy complejo y debemos tomar las respectivas precauciones
al momento de operarlo.

En el presente documento se presenta como
anexo un esquema completo de un sistema de puesta en paralelo de
generadores cuyas condiciones son controladas de forma
electrónica, es decir, de forma
automática.

Archivos: Esquema 1.pdf

Esquema 2.pdf

V.
REFERENCIAS

Información tomada de los
medios:

[1] "Maquinas Eléctricas". Autor
Ing. Stephen J Chapman, Editoria. Mc Graw Hill.

Medios virtuales:

[2]
http://www.electrosector.com/wp-
content/ftp/descargas/operacion.pdf
. Autor, Ing. Marco
Mesías, Electrosector. [3]
www.ieec.uned.es/Web_docencia/…/Libr
o%20de%20centrales%202011.pdf.

 

 

Autor:

Jefferson Torres

Antonio Vega

Diego Arpi, Autores

Universidad Politécnica Salesiana.
Facultad de Ingeniería Electrónica.

Cuenca – Ecuador.

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