generador trifasico

Generadores Trifásicos ════════════════════════════════════════════════════════

LA MÁQUINA SÍNCRONA SÍNCRONA La energía eléctrica comercial se obtiene principalmente con máquinas síncronas trifásicas. Estas máquinas pueden funcionar también como motores; sin embargo, el motor síncrono sólo se aplica en accionamientos especiales. La denominación de máquina síncrona viene del hecho de que, al funcionar como motor el rotor de la máquina girará a la misma velocidad que el campo magnético giratorio del estator, o sea, sincrónicamente. Partes del Generador Síncrono Según sea el tipo de generador este puede constar de:

Cuando se hace girar una bobina en un campo magnético homogéneo con frecuencia de giro constante se inducirá en ella una tensión senoidal. El campo magnético puede generarse mediante bobinas recorridas por corriente continua o mediante imanes permanentes. En este tipo de máquina los polos magnéticos se encuentran en el elemento exterior, por ello se las denomina máquinas de polos exteriores. Es común darle el nombre de alternador de inducido móvil , pues en él las bobinas donde se induce la tensión, o sea el inducido, se encuentran en el rotor; la energía eléctrica se genera en el rotor, del que deberá tomarse a través de anillos rozantes y escobillas de carbón, hecho que resulta problemático en las máquinas de grandes potencias. En las máquinas de inductor móvil o de polos interiores no se presentan estas dificultades. En ellas se obtiene el campo magnético mediante los polos del rotor, que en este caso es el inductor. En el devanado del estator (inducido en este caso), se induce una tensión alterna senoidal para una velocidad de giro constante. En las máquinas de inductor móvil, cuando no se emplean imanes permanentes sino electroimanes, deberá suministrarse a través de anillos rozantes y escobillas de carbón la potencia de excitación necesaria para la creación del campo magnético en las bobinas del rotor. La mayoría de las máquinas síncronas son de inductor móvil, pues su potencia de excitación es reducida, la corriente en las escobillas es baja. ═════════════ ════════════════════ ══════════════ ═════════════ ══════════════ ══════════════ ═════════════ ═════════════ ══════════════ ════════

Jorge Arenas Zegarra

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El rotor Existen dos tipos de rotores: el rotor cilíndrico y el de polos salientes. El rotor de polos salientes está hecho de láminas de acero silicio cuya forma típica puede verse en la siguiente figura, cada polo lleva un arrollamiento arrollamiento de campo. El rotor cilíndrico utilizado en máquinas de alta velocidad está hecho de numerosos discos de acero al silicio.

ROTOR TOR DE PO P OL OS SAL I ENTES

Estator El estator consiste de un núcleo de acero al silicio laminado y ranurado para alojar al arrollamiento arrollamiento del estator, este arrollamiento arrollamiento normalmente está en conexión estrella.

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Principio de Funcionamiento del Generador Cuando en un campo magnético se mueve un conductor cortando las líneas de campo, en el conductor se inducirá una tensión. El sentido de esta tensión inducida depende del sentido de movimiento del conductor y del sentido de las líneas de campo magnético. Regla de la mano derecha: Las líneas ce campo magnético entran por la palma de la mano, el dedo pulgar apunta en dirección del movimiento, los dedos extendidos indicarán el sentido de la corriente convencional de la tensión inducida.

Tensión Inducida en el Tiempo En el instante A, no hay tensión inducida puesto que el movimiento de la espira no corta las líneas de campo magnético (tienen la misma dirección y sentido), por lo que no hay corriente eléctrica. En los bornes de la lámpara habrá una tensión nula.

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En el instante B, el sentido de movimiento de la espira forma un ángulo recto con la dirección del campo magnético, la espira está cortando en forma perpendicular las líneas de campo magnético por lo que la tensión inducida será máxima.

En el instante C, el movimiento de la espira es en el mismo sentido que la dirección del campo magnético de los polos por lo que no habrá tensión inducida en la espira giratoria, la tensión en la lámpara será nula, como se aprecia en el sistema de ejes coordenados.

En el instante D, la tensión inducida en la espira es máxima pero de sentido contrario. Luego, del instante C al instante D, la tensión inducida es creciente con la polaridad inversa a la del intervalo A – C. Finalmente, del instante D al A, la tensión inducida disminuye completando así la onda senoidal.

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Frecuencia de la Tensión Inducida La frecuencia de la tensión inducida depende de la velocidad de rotación del motor primo (turbina hidráulica, turbina a vapor, motor de combustión, etc.), y del número de polos con que ha sido diseñado el generador. La frecuencia eléctrica generada por el alternador, se relaciona con el número de polos y la velocidad en revoluciones por minuto:

f f N p

N * p =

120

: Frecuencia en Hertz. : Velocidad del rotor en RPM. : Número de polos de la máquina.

De esta manera para la generación de tensión a la frecuencia de 60 Hz, tendremos las siguientes velocidades del rotor para sus correspondientes números de polos. p N (RPM)

2 3600

4 1800

6 1200

8 900

GENERADORES TRIFÁSICOS Prácticamente toda la transmisión de energía es trifásica. la definición de un sistema trifásico es: una disposición de energía eléctrica que tiene su origen en tres devanados principales colocados en un alternador, con una separación de 120 grados.

En la figura se muestran los tres devanados alojados en sus ranuras. La representación simbólica de estos tres devanados se muestra en la figura inferior. Aquí se representa también al imán giratorio que inducirá tensión en cada devanado. El generador Trifásico Elemental La presencia de tres devanados estatóricos separados 120 grados entre sí da lugar, por la presencia del campo magnético giratorio en el entrehierro, a tres tensiones inducidas ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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desfasadas 120 grados entre sí. A estas tensiones se les denomina TENSIONES TRIFÁSICAS.

FUNCIONAMIENTO Un flujo de corriente continua debe alimentar al circuito de campo del rotor, puesto que este está girando, hay dos métodos comunes para suministrar esta corriente continua: 1. Suministrarle a rotor la potencia de CC desde una fuente externa de CC, por medio de anillos de rozamiento y escobillas . 2. Suministro de potencia de CC desde una fuente especial, montada directamente en el eje del generador síncrono. Los anillos de rozamiento son anillos metálicos que envuelven el eje de la máquina sincrónica y sobre cada uno de ellos se coloca una escobilla, cada extremo de la fuente de CC se conecta a cada escobilla, entonces la tensión llegará al bobinado de campo en todo momento, sin tener en cuenta la posición angular o la velocidad del rotor. Los anillos de rozamiento y las escobillas crean algunos problemas cuando se utilizan para suministrar potencia de CC a la máquina síncrona. Ellos aumentan la cantidad de mantenimiento requerido por la máquina, puesto que las escobillas deben examinarse periódicamente para ver su estado de desgaste, además la caída de tensión en las escobillas puede ser causa de pérdidas de potencia en máquinas con corrientes de campo muy grandes. En máquinas pequeñas se utiliza el método de anillos rozantes y ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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escobillas porque ningún otro método es tan económico para suministrar la corriente de campo. En generadores más grandes, se usan excitatrices sin escobillas para suministrarle la corriente de campo a la máquina. Una excitatriz sin escobillas es un generador de C.A. pequeño con su circuito de campo montado sobre el estator y su circuito de inducido montado sobre el eje del rotor. La salida trifásica de la excitatriz se rectifica a corriente continua con un rectificador trifásico montado también sobre el eje del generador y luego inyectado al circuito de campo principal. Controlando la escasa corriente de campo de CC, en la excitatriz (localizada en el estator), es posible ajustar la corriente de campo en la máquina principal sin anillos rozantes ni escobillas. Puesto que nunca ocurre un contacto mecánico entre el rotor y el estator, una excitatriz sin escobillas requiere mucho menos mantenimiento. Rectificador Trifásico

MÁQUINA SÍNCRONA

EXCITATRIZ R O T O R

R O T A T S E

Campo Principal Inducido de la Excitatriz Campo de la excitatriz

Alimentación trifásica

Salida Trifásica

Inducido Principal

Muchos generadores sincrónicos que incluyen excitatrices sin escobillas, ocasionalmente, tienen también anillos rozantes y escobillas, de tal modo que una fuente auxiliar de corriente de campo de CC estará siempre disponible en las emergencias. Variación de la Tensión de Salida El valor de la tensión de salida del generador está en función de la corriente de excitación, esta variación de la corriente de excitación en un generador con anillos rozantes y escobillas puede obtenerse con una resistencia de campo conectada en serie con la bobina de excitación. ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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+

MÁQUINA PRIMA

E -

CAMPO

INDUCIDO

Característ ica de Vacío del Generador La tensión en circuito abierto depende de la intensidad de la corriente de excitación. La forma de la curva característica en circuito abierto es parecida a la de las curvas de imanación. Para una intensidad de excitación nula Ie = 0 A, se inducirá una tensión debida al magnetismo remanente en el hierro, a esta tensión se le llama “tensión remanente” y de unos pocos voltios.

Cuando empiece a aumentar la intensidad de excitación Ie, la tensión en circuito de vacío crecerá rápidamente, y cuando aquella ya sea grande, los incrementos de la tensión serán mucho menores, esto se debe a la saturación del material magnético del que está compuesto el rotor.

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El Generador Cargado La tensión en los bornes del generador disminuye a medida que aumenta la carga el generador. Esto es debido a que la circulación de la corriente produce una caída de tensión en la impedancia interna del generador. Cuando se carga el generador trifásico con reactancias inductivas la tensión en sus bornes descenderá considerablemente. Cuando la carga está constituida por condensadores, La tensión en los bornes será mayor que la tensión en circuito abierto del generador.

En la curva anterior la tensión a plena carga es 380 V, mientras que la tensión de vacío es aproximadamente 405 V. En un sistema de generación la tensión y frecuencia de salida deben ser constantes; la tensión de salida es controlada por reóstatos de campo (variando la corriente de excitación), y la frecuencia por la velocidad del rotor. Los generadores de las centrales eléctricas deben ser controlados automáticamente y para ello se emplean dos reguladores: a) El regulador de potencia, también llamado regulador de velocidad que actúa en un motor diesel sobre el gobernador permitiendo la entrada de más o menos combustible según aumente o disminuya la carga que entrega el generador. En una turbina hidráulica se actúa sobre la tobera permitiendo el mayor o menor ingreso de agua a la turbina. b) El regulador de tensión, que actúa sobre el reóstato de campo de la máquina y controla la tensión de salida de la máquina o la potencia reactiva generada en caso que el generador esté conectado a barra infinita.

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Estos dos reguladores actúan en forma completamente independiente. El regulador de potencia es sensible a las variaciones de velocidad de la máquina, es decir, es sensible a las variaciones de la frecuencia. Si la velocidad sufre una pequeña variación, por ejemplo puede disminuir ligeramente por efecto de una mayor demanda de potencia activa por parte de la carga, la frecuencia disminuirá en la misma proporción. El regulador recibe esta información e inmediatamente actúa sobre el mecanismo de control de la válvula de entrada del vapor a la turbina, abriéndola para que ingrese más vapor aumentando así el torque motriz aplicado al generador, lo que hará que se incremente la potencia activa generada y se restablezca la frecuencia y la velocidad síncrona del generador. El regulador de tensión es sensible a las variaciones de la tensión en las barras. Si esta sufre una disminución, el regulador actúa sobre el reóstato de campo reduciendo su resistencia, o sobre la excitatriz aumentando la corriente de excitación lo que incrementará la tensión en las barras restableciéndose su valor constante de tensión. DIAGRAMAS FASORIALES DEL GENERADOR CON CARGA RESISTIVA, INDUCTIVA Y CAPACITIVA Puesto que las tensiones en un generador sincrónico son voltajes de ca, generalmente se representan por fasores. Como los fasores tienen tanto magnitud como ángulo, la relación entre ellos se debe expresar en dos dimensiones. Cuando las tensiones presentes en una fase (E A, VΦ, jXSI A, y R AI A) y la corriente I A en la misma fase se dibujan de tal modo que muestren la relación entre si, a la gráfica resultante se le denomina diagrama fasorial . En la figura 5, muestra estas relaciones cuando el generador alimenta una carga con factor de potencia unitario (una carga puramente resistiva). De la ecuación (5) deducimos que la tensión total E A se diferencia de la tensión en los bornes de la fase V Φ por las caídas de tensión inductiva y resistiva. Todos las tensiones y corrientes se referencian con VΦ, el cual, arbitrariamente, se asume estar a un ángulo de 0°.

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Este diagrama fasorial se puede comparar con el de los generadores que funcionan con factores de potencia en atraso y en adelanto. Tales diagramas fasoriales se ven en la figura 6 .Obsérvese que para una tensión de fase dada y una corriente de armadura , se necesita una tensión generado internamente E A mayor para cargas en atraso (inductivas), que para cargas en adelanto (capacitivas). Por tanto, se necesita una corriente de campo mayor con cargas en atraso para obtener la misma tensión terminal, porque: E A = KΦω

(8)

Considerando que ω debe ser constante para mantener una frecuencia constante.

En máquinas sincrónicas reales, la reactancia sincrónica es normalmente mucho mayor que la resistencia del embobinado R A, así que esta se desprecia frecuentemente, en el estudio cualitativo de las variaciones de tensión. Sin embargo, para resultados numéricos precisos, R A deberá tenerse en cuenta. Una forma de comparar el comportamiento de la tensión de dos generadores es por medio de su regulación de tensión , que está definida por: RV

Vsc Vpc −

=

Vpc

*100%

Vsc: tensión de vacío. Vpc: tensión a plena carga del generador. Si la carga tiene un factor de potencia en atraso entonces la regulación de tensión es positiva, si el factor de potencia es en adelanto la regulación es negativa. ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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Normalmente se suministra una tensión constante a la carga, aunque la carga en si se modifique tanto en potencia como en factor de potencia por lo que es necesario variar la magnitud de E A para compensar los cambios en la carga. Recuérdese que E A=KФW, en un sistema la frecuencia no debe cambiarse por lo que la velocidad se mantendrá constante, la alternativa restante para variar la tensión inducida es variando el flujo de la máquina. Para variar este flujo se variará la corriente de campo, normalmente para variar la corriente de campo se utiliza una resistencia de campo. En conclusión es factible variar la tensión terminal del generador sometido a cargas variables graduando sencillamente la resistencia de campo, o con algún método, variar directamente la corriente de campo. . SINCRONIZACIÓN DE GENERADORES TRIFÁSICOS Se instalan dos alternadores en paralelo siempre que las necesidades de potencia del circuito de carga sean mayores que la salida de potencia de un sólo alternador. A una frecuencia definida, la tensión instantánea de salida de un alternador está cambiando continuamente, tanto en magnitud como en polaridad. Por consiguiente, al conectar en paralelo dos alternadores no tan sólo debe ser igual el ritmo de ascenso y descenso de la tensión en ambos alternadores, sino que el ascenso y descenso de tensión de una máquina debe estar exactamente al paso con el ascenso y descenso de tensión de la otra máquina. Cuando esto ocurre, se dice que los dos alternadores están sincronizados. Los alternadores no pueden conectarse en paralelo, sino hasta que su tensión, frecuencia y polaridad instantánea sean iguales. Puede controlarse la tensión de salida de un alternador variando la intensidad de la corriente de su circuito de campo. Para ello se utiliza un reóstato de campo. Por cuanto la frecuencia de los alternadores está totalmente controlada por la velocidad, en las instalaciones con dos alternadores se hace necesario tener el control de la velocidad de, cuando menos, una de las máquinas. En instalaciones reales cada generador tiene sus reguladores de tensión y frecuencia. El proceso de sincronización se lleva a cabo siguiendo tres pasos principales: a. Se cambia la velocidad de una de las máquinas, o de las dos, de modo que ambos alternadores generen tensiones de frecuencia deseada. b. Se igualan las tensiones de salida de A.C. de ambas máquinas, para esto se varían los reóstatos de campo de cada máquina. c. La frecuencia eléctrica de una máquina aumenta o disminuye por cambios muy leves de velocidad, se varía la velocidad hasta que las frecuencias sean las mismas y de igual polaridad instantánea. Esta sincronización puede realizarse utilizando un instrumento conocido como sincronoscopio. También se le puede observar conectando lámparas sincronizadoras. Las lámparas sirven para indicar el momento exacto en que las máquinas tienen igual polaridad instantánea y, también, para impedir que durante el proceso de sincronización circulen entre los alternadores corrientes de corto circuito.

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S5 H S4

CARGA

S1 V S2 S3 G2

G1

La figura anterior ilustra un circuito que se utiliza para la conexión en paralelo de dos alternadores trifásicos. El alternador G-2 está conectado al circuito de carga. El alternador G-1 debe conectarse en paralelo con G-2. En los conductores de conexión se coloca tres lámparas, con régimen de tensión del doble de la tensión de carga. Con ambas máquinas funcionando, se observará uno de los dos efectos posibles siguientes: a. Las tres lámparas se encenderán y apagarán al unísono, según un ritmo que depende de la diferencia de frecuencia de las dos máquinas. b. Las tres lámparas se encenderán y apagarán a un ritmo que depende de la diferencia de frecuencia de las máquinas, pero no al unísono. En este caso las máquinas no están conectadas en rotación o secuencia adecuada de fases, y es necesario intercambiar cualquiera de los dos conductores que van al alternador G1. Las máquinas no pueden conectarse en paralelo hasta que todas las lámparas se encienden y disminuyan su brillo al unísono. Mediante muy ligeros ajustes de velocidad en el alternador G-1 se puede aproximar la frecuencia eléctrica de las máquinas, y las lámparas de sincronización se encenderán y disminuirán su brillo al ritmo más bajo posible. Cuando las tres lámparas están apagadas, la polaridad eléctrica instantánea de los tres conductores que salen de G-1 es la misma que la de G-2, y puede cerrarse el interruptor S-3. Entonces ambos alternadores suministrarán energía a la carga. Este método de sincronización de alternadores se llama “método de tres lámparas oscuras”. El “método de tres lámparas” tiene ciertos inconvenientes. En una lámpara incandescente puede estar presente una pequeña tensión, no se observa luz. Por lo tanto, es posible que cierre una conexión en paralelo habiendo un tensión y una diferencia de fases entre las máquinas. Esto puede permitirse en máquinas de poca capacidad y baja velocidad; en unidades de gran capacidad con baja reactancia del inducido, que funcionen a gran velocidad, conectar unidades en paralelo con cierta cantidad de diferencia de fases puede dar por resultado algunas dificultades y daños.

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Las dificultades mencionadas en el párrafo anterior pueden eliminarse, en parte, utilizando el método de dos lámparas brillantes y una oscura. Por este método se entrecruzan dos conexiones cualesquiera de las lámparas sincronizadoras, después de que se han conectado y probado las máquinas respecto a su correcta rotación de fase mediante el método de las tres lámparas oscuras. La figura A ilustra la conexión para que se establezca la apropiada rotación de fase mediante el método de tres lámparas oscuras y la figura B indica la corrección de las conexiones de las lámparas, para sincronización por medio del método de dos lámparas brillantes y una oscura. Cuando las máquinas están sincronizadas, las lámparas 1 y 2 estarán brillando cuando la 3 esté oscura. Puesto que dos de las lámparas aumentan su brillo a medida que una va oscureciéndose, se determina más fácilmente el instante exacto para cerrar el conmutador de derivación. Además, observando la secuencia de brillo de las lámparas, es posible decir si la velocidad de alternador que estamos sincronizando es demasiado lenta o muy rápida.

Un sincronoscopio es el mejor instrumento que puede utilizarse para sincronizar dos alternadores, puesto que indica el momento exacto de sincronismo. El sincronoscopio se conecta solamente a través de una fase. Por esta razón no puede utilizarse, sino hasta que los dos alternadores estén ya correctamente conectados uno con otro para la adecuada rotación de fase. Antes de que se pueda confiar plenamente en el ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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sincronoscopio, deben emplearse lámparas de sincronización u otros medios. En las aplicaciones que se encuentran en el comercio, las conexiones de un alternador a una barra colectora trifásica, por medio de un conmutador de derivación, son permanentes y no hacen falta más pruebas de rotación de fase. En este caso, un solo sincronoscopio bastará para la operación de conectar las máquinas en paralelo. La siguiente figura presenta un circuito típico para poner en paralelo alternadores trifásicos. Para poner alternadores en paralelo se necesita la secuencia de operaciones que sigue: A

A A

S5 CARGA

H

S4

V

S1 S2

S3 G2

G1

a.

Ajústese el reóstato de campo del alternador G-2 a su posición de máxima resistencia.

b.

Determínese la velocidad necesaria para que se genere la frecuencia deseada, sabiendo el número de polos de campo del alternador G-2.

c.

Actívese con la fuerza primaria, para que el generador G-2 alcance la velocidad necesaria.

d.

Ajústese el conmutador de derivación S-3 para la lectura de tensión de c-a a través de una fase de G-2. Ajústese el reóstato de campo de G-2 hasta que la tensión de salida sea igual la tensión de régimen del circuito de carga.

e.

Ciérrese el interruptor de carga S-5 y el interruptor S-4, para alimentar el circuito de carga. Reajústese la velocidad del impulsor primario para que se mantenga la velocidad predeterminada necesaria para la frecuencia deseada.

f.

Reajústese G-2 para que se obtenga la tensión de c-a del régimen del circuito de carga.

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g.

Actívese el impulsor primario para que active el otro alternador G-1. Ajústese la velocidad del alternador al valor aproximado necesario para que las frecuencias de los alternadores casen.

h.

Ajústese el conmutador S-3 para que mida el voltaje de c-a a través de una fase de G-1, ajústese el reóstato de campo de G-1 hasta que la tensión de ca sea igual en cualquiera de las dos posiciones del conmutador S-3. Ahora la salida de tensiones de ambos alternadores es igual.

i.

Rotación de fase. Con el conmutador de derivación S-2 abierto, cierre el interruptor S-1. El conjunto de tres lámparas a través de los terminales del conmutador abierto se comportará de uno de los dos modos siguientes:

a) b)

Las tres lámparas aumentarán su luz y luego la disminuirán al unísono. Dos de las lámparas irán aumentando su luz mientras que la otra lámpara la disminuirá. Después las dos lámparas brillantes disminuirán su luz mientras la lámpara oscura irá aumentándola.

j.

Si las lámparas se comportan como se indica en a) los alternadores están conectados para su correcta rotación de fase y el operario puede pasar a la siguiente etapa de su sincronización.

k.

Si las lámparas se comportan como se indica en b) los alternadores no están en correcta rotación de fase. En este caso intercámbiense dos conductores cualesquiera del alternador en los terminales del conmutador S-2. Cuando se haya hecho este cambio, las tres lámparas deben amortiguar y abrillantar se luz conjuntamente. No se intente conectar los alternadores en paralelo sin que se cumpla esta condición.

l.

Los tres conjuntos de lámparas parpadearán (se amortiguarán y abrillantarán) a un ritmo a la diferencia de frecuencia de los dos alternadores. Ajuste el regulador de velocidad del impulsor primario Nro1 para que las lámparas parpadean a ritmo más lento posible.

m. Intercambie dos juegos de conductores de lámpara (no conductores de alternador) en los terminales del conmutador S-2 para crear, así, las condiciones para la sincronización, mediante el método de dos brillantes y una oscura. n.

Ajuste de nuevo el reóstato de campo del alternador G-1 hasta que ambos alternadores tengan el mismo voltaje de salida, medido en cualquiera de las dos posiciones del conmutador de voltímetro S-3.

o.

Con una mano en el conmutador S-2, observe las lámparas y cierre el conmutador en el momento exacto en que dos de las lámparas estén brillantes y la otra esté apagada. Esta operación deja fuera de circuito las lámparas de sincronización y pone los alternadores en paralelo.

p.

Los amperímetros A-1 y A-2 indicarán la cantidad de corriente de carga inducida por cada alternador. Con un circuito de carga cuyo factor de potencia es igual a la unidad,

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la suma de estas lecturas debe ser igual a la lectura del amperímetro del circuito de carga. q.

El operario observará que un cambio en la excitación de campo de cualquiera de los dos alternadores no cambiará apreciablemente la cantidad de corriente suministrada al sistema, pero sí afectará el factor de potencia de cada alternador. El reóstato de campo de cada máquina debe ajustarse al factor de potencia más alto indicado por el valor más bajo de corriente de cada una de las máquinas. Si aumenta o disminuye la energía mecánica que mueve cualquiera de los dos alternadores, se aumentará o disminuirá la corriente de carga de esta máquina. Así, la división de carga entre los alternadores puede cambiarse mediante pequeños cambios de la velocidad de alternador.

Cuando funcionan en paralelo, dos alternadores deben tener la misma frecuencia y la misma tensión en los terminales. Tampoco funcionarán satisfactoriamente dos alternadores en paralelo, a menos que sus impulsadores primarios tengan características similares de caída de velocidad de carga. Cuando los impulsadores primarios están movidos por vapor, agua o gas, las características de velocidad de carga depende de los ajustes del regulador mecánico del control de velocidad. El ajuste de estos controles, principalmente la tensión de sus resortes, es lo que determina la división de carga de dos alternadores que funcionan en paralelo. Por este motivo, la carga, en kilowatts, entregada por dos alternadores en paralelo, no puede dividirse, en ninguna proporción deseada, variando la excitación de c-c del campo de ninguna de las dos máquinas. Dos alternadores correctamente conectados en paralelo funcionarán en equilibrio estable. Si uno de los alternadores intenta salirse del paso, se crea una corriente que circula entre ambos alternadores. Esta corriente hace que aumente la velocidad de la máquina retrasada y que se retrase la máquina adelantada, impidiendo, así, que las máquinas se desincronicen. REPARTO DE CARGA Funcionamiento de Generadores en Paralelo con Grandes Sistemas de Potencia Cuando un generador sincrónico se conecta a un sistema de potencia grande, nada de lo que pueda hacer su operario tendrá mucho efecto sobre todo el sistema.

Esta noción se idealiza en el concepto de barraje infinito. Un barraje infinito es un sistema de potencia tan grande que ni su tensión ni su frecuencia podremos variar, aún haciendo ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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caso omiso de la magnitud de la potencia real o reactiva que se le saque o se le suministre. Se examinará un sistema que consta de un generador y un barraje infinito en paralelo, alimentando una carga. Se supone que el motor primario del generador tiene un mecanismo gobernador, pero que el campo se controla manualmente por medio de una resistencia.

Cuando un generador se conecta en paralelo con un gran sistema, la frecuencia y al tensión terminal de las máquinas, deben ser todas las mismas. Por tanto sus características de potencia real-frecuencia y de potencia reactiva-tensión se pueden dibujar con un eje vertical común (fig. anterior). Supongamos que el generador acaba de ser colocado en paralelo con el barraje infinito, entonces el generador estará “flotando” en la línea, suministrando una pequeña cantidad de potencia real y muy poca o ninguna potencia reactiva.

Supongamos que el generador se ha puesto en paralelo con la línea, pero en lugar de dejar su frecuencia ligeramente más alta que la del sistema (1 ó 2 Hz), se conectó con una frecuencia un poco más baja. La situación resultante se observa en la siguiente fig. . ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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Obsérvese que la frecuencia del generador en vacío es menor que la frecuencia con la que funciona el sistema.

En esta frecuencia, la potencia suministrada por el generador es realmente negativa, es decir, el generador absorbe potencia eléctrica y funciona como motor; por tal motivo la frecuencia de la máquina entrante debe ser ligeramente mayor que la del sistema. Muchos generadores están dotados de relevadores de inversión de potencia. Si tal generador alguna vez comenzara a absorber potencia, se desconectará de la línea automáticamente. Una vez que el generador se ha conectado, cuando las marcaciones en la esfera de su gobernador aumentan, entonces la frecuencia del generador en vacío va hacia arriba. Como la frecuencia del sistema es inmodificable, la potencia suministrada por el generador aumenta como se ve en la fig. siguiente.

Obsérvese en el diagrama fasorial que E Asenδ (que es proporcional a la potencia suministrada mientras que V T sea constante), ha aumentado, mientras que la magnitud de E A permanece constante, ya que tanto la corriente de campo I F como la velocidad de ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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rotación ω no se han modificado. En la medida en que la potencia de salida se eleva, E A permanece invariable, mientras que E Asenδ sigue aumentando. Si la salida de potencia de este generador aumenta hasta exceder la potencia que requiere la carga, la potencia adicional generada regresará hacia el barraje infinito, por lo cual la potencia extra se consume. Después que la potencia real del generador se ha graduado al valor deseado, su diagrama fasorial será como el de la Fig. anterior, en este momento el generador estará funcionando con un factor de potencia ligeramente adelantado, de tal modo que está absorbiendo como condensador, entregando potencia reactiva negativa; de otra manera se puede decir que el generador está absorbiendo potencia reactiva. Para que el generador entregue alguna potencia reactiva Q al sistema, se gradúa la corriente de campo de la máquina. La potencia debe mantenerse constante cuando I F se modifique. La potencia dentro de un generador se puede expresar por P ent=τ*ω. Como el generador está ligado a un barraje infinito, su velocidad no puede cambiar; si la velocidad del generador no cambia y las marcaciones del gobernador no han sido cambiadas, la potencia entregada por el generador debe permanecer constante. Si la potencia suministrada es constante, en tanto que la corriente de campo se modifica, entonces las distancias proporcionales a la potencia, en el diagrama fasorial (I Acosθ y E Asenδ), no pueden cambiar. Cuando la corriente de campo aumenta, el flujo Φ aumenta y por tanto, E A=KΦω crece. Si E A aumenta, pero E Asenδ permanece constante, entonces el fasor E A debe “deslizarse” a lo largo de la línea de potencia constante como se ve en la fig. siguiente.

Como VΦ es constante, el ángulo de jX SI A cambia como se indica y por tanto el ángulo y la magnitud de I A se modifican. Como resultado de esto, la distancia proporcional a Q (I Asenθ) aumenta. Es decir aumentar la corriente de campo en un generador sincrónico que está funcionando en paralelo potencia reactiva del generador.

con un barraje infinito, se incrementa la salida de

Resumiendo, para un generador funcionando en paralelo a un barraje infinito: * La frecuencia y la tensión terminal del generador son fijados por el sistema de barra infinita al cual están conectados. * Las marcaciones de la esfera del dispositivo gobernador del generador controlan la potencia real que éste entrega al sistema. ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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* La corriente de campo del generador controla la potencia reactiva que éste entrega al sistema. Funcionamiento de Generadores en Paralelo con Otros de Igual Tamaño Cuando un generador funciona aisladamente, las potencias real y reactiva (P y Q) entregadas son fijas, forzadas a ser igual a la potencia exigida por la carga, la frecuencia y la tensión terminal se modifican según las marcaciones del dispositivo gobernador y la corriente de campo. Así mismo, cuando un generador se instala en paralelo con un barraje infinito, dicho barraje obliga a ser constante la frecuencia y la tensión terminal, y las potencias real y reactiva se modifican según las marcaciones del dispositivo gobernador y la corriente de campo. Ahora, ¿qué sucede cuando un generador sincrónico se conecta en paralelo con un generador de su mismo tamaño, en lugar de hacerlo al barraje infinito? ¿Cuál será el efecto de cambiar las marcaciones de las agujas del gobernador y las corrientes de campo? En tal sistema, la limitación básica consiste en que la suma de las potencias real y reactiva que entregan los dos generadores debe ser igual a las P y Q que exige la carga . Ni la frecuencia del sistema ni la potencia de alguno de los generadores se obligan a permanecer constantes. El diagrama potencia-frecuencia de este sistema, inmediatamente después de que G 2 se ha conectado en paralelo con la línea, puede observarse en la figura siguiente parte “b”. Aquí la potencia total Ptot, (que es igual a Pcarga) se expresa por medio de: Ptot = Pcarga = PG1 + PG2

(16a)

Y la potencia reactiva total por Qtot = Qcarga = QG1 + QG2

(16b)

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¿Qué sucede si las marcaciones de las agujas del dispositivo gobernador de G 2 se aumentan? Cuando éstas aumentan, la curva potencia-frecuencia correspondiente se desplaza hacia arriba, tal como se muestra en la figura anterior parte “c”. Recuérdese que la potencia total entregada a la carga, no debe cambiar. En la frecuencia original f 1, la potencia entregada por G 1 y G2 será ahora mayor que la carga exigida, por lo cual el sistema no puede continuar funcionando en la misma frecuencia de antes. De hecho, solamente hay una frecuencia a la cual la suma de las potencias de salida de los dos generadores es igual a P carga. Esa frecuencia f 2 es mayor que la frecuencia de ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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funcionamiento del sistema original. A esa frecuencia, G 2 entrega más potencia y G1 entrega menos potencia que antes. Por tanto, cuando dos generadores están trabajando en paralelo, un aumento en la posición del gobernador de uno de ellos: 1. 2.

Aumenta la frecuencia del sistema. Aumenta la potencia que entrega tal generador, mientras se reduce la potencia entregada por el otro.

¿Qué sucede si aumenta la corriente del campo de G 2? El comportamiento resultante es análogo a la situación de potencia-real y se ilustra en la figura anterior parte “d”. Cuando dos generadores están trabajando en paralelo juntos y se aumentan la corriente de campo de G2, 1. 2.

La tensión terminal del sistema aumenta. La potencia reactiva Q entregada por tal generador aumenta, en tanto que la potencia reactiva entregada por el otro generador disminuye.

Si se conocen las pendientes y las frecuencias en vacío de la curva de velocidad descendente del generador (frecuencia-potencia) entonces las potencias suministradas por cada generador y la frecuencia resultante del sistema pueden determinarse cuantitativamente. Ejemplo. La figura anterior muestra dos generadores que alimentan una carga. El generador 1 tiene una frecuencia en vacío de 61.5 Hz y una pendiente s P1 de 1 MW/Hz. El generador 2 tiene una frecuencia en vacío de 61.0 Hz y una pendiente s P2 de 1 MW/Hz. Los dos generadores alimentan una carga real que totaliza 2.5 MW con un factor de potencia en atraso de 0.8. a) ¿A qué frecuencia está funcionando el sistema y cuánta potencia entrega cada uno de los dos generadores? b) Se supone que una carga adicional de 1-MW se ha conectado a este sistema de potencia. ¿Cuál sería la frecuencia del nuevo sistema y cuánta potencia entregarían ahora los generadores G1 y G2? c) Con el sistema de la configuración descrita en la parte b), ¿cuáles serían la frecuencia del sistema y las potencias del generador, si las marcaciones del dispositivo gobernador de G2 aumentan en 0.5 Hz? Cuando dos generadores de tamaño similar están trabajando en paralelo, un cambio en las marcaciones del gobernador de uno de ellos cambia tanto la frecuencia del sistema como la distribución de potencia entre ellos. Normalmente, sería preferible ajustar solamente una de estas magnitudes a la vez. Un aumento en las marcaciones del gobernador de uno de los generadores incrementa su potencia y eleva la frecuencia del sistema; una disminución en las marcaciones del gobernador en el otro generador rebaja su potencia y la frecuencia del sistema. Por tanto, para ajustar la distribución de potencia sin cambiar la frecuencia del sistema, aumente las marcaciones del gobernador de un generador y simultáneamente disminuya las marcaciones del gobernador del otro generador (véase figura siguiente). En forma similar , para ajustar la frecuencia del sistema sin cambiar la ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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distribución de potencia, aumente simultáneamente o disminuya las marcaciones de ambos gobernadores .

Los ajustes de potencia reactiva y de la tensión terminal trabajan de manera similar para cambiar la distribución de la potencia reactiva sin cambiar V T, aumente la corriente de campo en un generador y disminúyala simultáneamente en el otro . Para cambiar la tensión terminal de los bornes, sin afectar la distribución de potencia reactiva, aumente o disminuya simultáneamente ambas corrientes de campo . Para resumir, en caso de tener dos generadores que funcionen en paralelo: ════════════════════════════════════════════════════════════════════


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1. El sistema queda limitado en cuanto a que la potencia total entregada por los dos generadores debe ser igual a la cantidad absorbida por la carga. Ni f sist ni VT quedan forzados a permanecer constantes. 2. Para ajustar la distribución de la potencia real entre los generadores sin cambiar f sist, se aumentan simultáneamente las marcaciones del gobernador de un generador en tanto que se disminuye en el otro. El generador cuyas marcaciones del gobernador se aumentaron tomará la mayor cantidad de carga. 3. Para ajustar f sist sin modificar la distribución de la potencia real, se aumentan o disminuyen simultáneamente las marcaciones de los gobernadores de ambos generadores. 4. Para ajustar la distribución de la potencia reactiva entre los generadores, sin cambiar VT, se aumenta simultáneamente la corriente de campo de un generador, mientras se disminuye en el otro. La máquina cuya corriente de campo se aumentó, tomará la mayor parte de la carga reactiva. 5. Para ajustar VT sin cambiar la distribución de la potencia reactiva, aumente o disminuya simultáneamente las corrientes de campo de ambos generadores.

Es muy importante que cualquier generador sincrónico destinado a trabajar en paralelo con otros tenga una característica de frecuencia-potencia descendente. Si dos generadores tienen su característica plana o casi plana, entonces la distribución de la potencia entre ellos puede variar significativamente, sólo con cambios mínimos de la velocidad en vacío. Esto se ilustra en la figura anterior. Obsérvese que cambios, aun mínimos, en la f SC de uno de los generadores, podría ocasionar modificaciones violentas en la distribución de la potencia. Para garantizar un buen control de distribución de potencia entre los generadores, éstos deben tener caídas de velocidad de entre 2% y 5%.

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generador trifasico

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