OPERACIÓN EN PARALELO DE GENERADORES TRIFÁSICOS Pozo Hernán Laboratorio de Máquinas Eléctricas, Eléctricas, Departamento Departamento de Energía Eléctrica, Eléctrica, Escuela Politécnica Nacional Nacional Quito, Ecuador
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Abstract -
La generación eléctrica a través de un solo generador trifásico dispone de más pérdidas, debido a que la corriente de armadura aumenta. Es por esta razón que se hace uso de las conexiones en paralelo, en donde se puede considerar dos casos: uno entre generador - generador y otro entre generador – barra barra infinita (idealización de un sistema de potencia), en donde se dispone tanto de un valor constante de voltaje de bornes, así como de frecuencia. Con el objetivo de regular al generador y sacar más provecho de sus características de generación. Para esto se pueden implementar las distintas curvas V (voltaje de armadura en función de la corriente de campo) de acuerdo al tipo de factor de potencia; considerando que al aumentar el voltaje generado se controlará la potencia reactiva, mientras que al aumentar el torque mecánico se controlará la potencia activa. I.
Reóstatos
Sincronoscopio III. CUESTIONARIO
A. Tabular los datos de placa de las máquinas utilizadas, y los datos obtenidos durante la práctica.
Tabla 1 Datos de placa de la máquina sincrónica 1
OBJETIVOS
Conocer la forma de controlar la generación de potencia activa y reactiva. reactiva. Analizar el comportamiento del generador cuando se encuentra conectado en paralelo con una barra infinita.
Tabla 2 Datos de placa de la máquina sincrónica 2
Estudiar el comportamiento del generador trifásico cuando trabaja en paralelo con otro de similar potencia. II. EQUIPO
Tablero principal del Laboratorio de Máquinas Eléctricas
2 Grupos máquina motriz – máquina máquina sincrónica
2 Medidores de velocidad (Tacómetros) (Tacómetros)
2 Voltímetros y 2 Amperímetros de AC y DC
2 Analizadores de Red y 2 Secuencímetros
Tabla 3 Corriente de campo en función de la corriente de armadura (Conexión Generador – Barra Barra EEQ)
* Sea ω igual a la velocidad del generador sincrónico.
III.
Conexión entre dos generadores sincrónicos
Tabla 4 Conexión Generador – Generador ( ω2 > ω1) Figura 3 Diagrama de conexión III
Funcionamiento: Tabla 5 Conexión Generador – Generador ( ω1 > ω2)
-
Tabla 6 Conexión Generador – Generador ( ω1 = ω2)
B. Presentar todos los diagramas de conexiones utilizados en la realización de la práctica. Comentar y explicar su funcionamiento.
-
Para la realización de la práctica, se dispuso de los siguientes diagramas de conexión:
I.
Conexión de un generador sincrónico aislado
Caso 1: Caso 2: Caso 3:
De acuerdo a la Figura 1 se tiene un grupo máquina motriz – máquina sincrónica que está conectado aisladamente. Para el cual se utiliza la energía proveniente de la EEQ para el funcionamiento de la misma. La Figura 2 muestra un generador sincrónico conectado en paralelo a la barra infinita de la EEQ. Caso en el cual se dispone de un valor de voltaje entre bornes y de frecuencia bajo las características de la barra infinita, con potencia activa y reactiva regulables. Finalmente, se tiene la Figura 3, que representa la conexión entre dos generadores sincrónicos, cuando el sincronoscopio indica que se dispone de igual valor de voltaje de armadura y de frecuencia de operación. Sin embargo, se pueden considerar tres casos con objeto de estudio, de acuerdo a la velocidad angular de las máquinas, los cuales se detallan a continuación: 2 > ω1
ω
1 > ω2
ω
1 = ω2
ω
C. Graficar las curvas V del generador con los datos obtenidos en la práctica (en un mismo gráfico). Analice y comente. Figura 1 Diagrama de conexión I
II.
Conexión de un generador sincrónico con la barra de la Empresa Eléctrica Quito (EEQ)
Figura 2 Diagrama de conexión II
Figura 3 Curva V del generador trifásico con datos de placa mostrados en la Tabla 2
En la Figura 3 se muestran los datos tabulados de la Tabla 3, los cuales forman una curva en V, considerando distintas características de factor de potencia (adelanto, retraso y unidad). Al lado derecho, a partir del punto 0.7 de If , se dispone de la curva de sobreexcitación. Mientras que al lado izquierdo se tiene la curva de subexcitación. Para formar esta curva fue necesario implementar la conexión generador – barra EEQ, con el propósito de mantener constante su voltaje entre bornes y su frecuencia de operación a 60 [Hz].
D. Describa la forma de controlar la frecuencia y el voltaje generado en el generador sincrónico. La frecuencia en un generador sincrónico viene dada por:
Dónde: -
es el voltaje generado es la frecuencia
-
es el número de vueltas por fase
-
es el flujo por polo
En donde se tiene que el voltaje generado está relacionado directamente con el flujo por polo, a través de la corriente de campo.
* Cuando se dispone de una conexión en paralelo, el voltaje generado es aquel que controla la potencia reactiva del sistema. [1]
E. Analizar el comportamiento del generador en todos los casos de funcionamiento en paralelo realizados en la práctica.
Dónde: -
es la frecuencia
-
es el número de polos
-
es el número de revoluciones por minuto
Cuando un generador se conecta en paralelo con otro generador o con una barra infinita (sistema idealizado de potencia), se debe considerar las siguientes condiciones: -
Voltajes de armadura igual Misma frecuencia de trabajo Igual secuencia de fase
Por lo tanto, se tiene que para controlar la frecuencia en un generador sincrónico se debe disponer del número de polos y del número de revoluciones por minuto. Con lo * En una planta generadora, se verifican las condiciones cual se tiene relación con la velocidad angular del sistema previas a través de un sincronoscopio. [2] y por ende con el torque de la máquina motriz.
Velocidad angular
Torque mecánico
Dónde: -
es la potencia activa
* Cuando se dispone de una conexión en paralelo, el torque mecánico es aquel que controla la potencia activa del sistema.
El voltaje generado viene dado por la expresión:
Estos parámetros fueron considerados al momento de realizar la conexión entre generadores y a través de la conexión generador – barra infinita, en donde se tiene un sistema idealizado de potencia tan grande, que hace despreciable los cambios de potencia activa y reactiva que se entregan a través del generador disponible en el laboratorio.
F. Indique la manera para sincronizar dos generadores trifásicos usando únicamente lámparas. Así como se puede hacer uso del sincronoscopio para sincronizar dos generadores trifásicos, también se puede hacer uso de lámparas. Su utilidad radica tanto al conectar dos generadores sincrónicos como cuando se dispone de una conexión en paralelo de un generador sincrónico con la barra infinita proveniente de la Empresa Eléctrica Quito (EEQ).
Figura 6 Situación de sincronización 2 [2]
Figura 4 Sincronización de un generador con una barra infinita, mediante el uso de lámparas [2]
* Las lámparas deben tener capacidad para el doble de voltaje de línea, ya que en ciertos casos se puede tener aplicado este voltaje a los focos.
Las lámparas tendrán un brillo igual pero fluctuante. Este caso ocurre porque la frecuencia de la máquina motriz es diferente a la de la barra infinita. Así que para corregir la sincronización, se debe variar la velocidad de la máquina motriz sin olvidar de ajustar la corriente de campo para mantener los voltajes iguales.
c) Secuencia de fase incorrecta, mientras el resto de condiciones son correctas.
Sean: voltajes del generador sincrónico
-
Ea, Eb, Ec
-
EA, EB, EC voltajes de la
-
EAa, EBb, ECc voltajes
barra infinita
aplicados a las lámparas de sincronización (las cuales representan el brillo de las mismas)
Situaciones de sincronización:
a) Voltajes distintos con igual frecuencia y secuencia de fase.
Figura 7 Situación de sincronización 3 [2]
Las lámparas tendrán un brillo distinto entre ellas, debido a la inversión de fases. Para corregir esto, se debe cambiar dos cables entre sí para que la secuencia sea correcta. (A-B, B-C, C-A)
d) La fase no es igual; mientras que el voltaje, la frecuencia, y la secuencia de fase son idénticas. Figura 5 Situación de sincronización 1 [2]
Las lámparas tendrán un brillo constante e igual, por lo que se debe ajustar la corriente de campo hasta que el brillo de las lámparas sea nulo (V1 = V2). Luego se procede a cerrar los interruptores para concluir con la sincronización.
b) Frecuencias distintas con voltajes iguales e igual secuencia de fase.
Figura 8 Situación de sincronización 4 [2]
Las lámparas se van a encender y apagar con la misma intensidad, por lo que aparentemente tendrán un brillo constante. En este caso se debe modificar levemente la velocidad de la máquina sincrónica, para ajustar las fases. Si la intensidad de las lámparas es cero, se procede a cerrar los interruptores. IV. CONCLUSIONES - Cuando se dispone de un generador sincrónico trifásico aislado, se tiene como producto un mayor número de pérdidas, debido al incremento de la corriente de armadura, y por ende las ganancias monetarias se verán afectadas en cuanto a su aplicación industrial. Es por esta razón que se dispone de una barra infinita, la cual regula y mantiene constante su valor de voltaje entre bornes y su frecuencia de operación. - Al emplear una conexión en paralelo con generadores trifásicos se debe considerar indistintamente de si se realiza una conexión con una barra infinita o con otro generador, de que se disponga en ambos igual secuencia de fase, voltajes de armadura y frecuencia de operación. - Si se desea controlar el valor de potencia activa y reactiva que se está entregando a través de una configuración en paralelo, se debe tener en cuenta que el torque mecánico regula la potencia activa, mientras que la corriente de campo controla la potencia reactiva. - Existen distintos métodos para garantizar que una conexión en paralelo se encuentra bajo condiciones de sincronismo, uno de estos es a través del uso de un sincronoscopio así como a través del uso de lámparas, en donde el operador debe ajustar las condiciones de acuerdo al tipo de brillo que se presenta en las mismas. V. RECOMENDACIONES - Es necesario revisar el esquema de conexión que el operador va a emplear. Considerando los elementos de maniobra y protección necesarios para garantizar que no se produzca ninguna falla al energizar las distintas máquinas que se vayan a emplear. - Se recomienda disponer de borneras que permitan realizar las conexiones tanto del sincronoscopio así como del secuencímetro, para así facilitar su utilización y de esta manera obtener resultados que cercioren al operador de que se cumplen con las características de sincronismo.
RECONOCIMIENTOS Ing. Rubén Hernández
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] QUILUMBA Franklin, Apuntes de clase de Máquinas Eléctricas. Escuela Politécnica Nacional. Quito, Ecuador. Semestre 2016 – A. [2] (2009) Tecnológico de Monterrey. [Online]. Disponible en: http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/ie/profesores/hnunez/cursos/me/M aterialApoyo/MaqElec4/home.htm
