Funcionamiento en paralelos del generador sincrónico
Observaciones Generales
En las centrales eléctricas se acostumbra a instala varios generadores en paralelo, ya que las grandes centrales proporcionan potencias que físicamente serian imposibles proporcionarlas a través de un solo generador, no solo por su mantenimiento si no también por su fabricación. Cabe destacar que con el objetivo de elevar la fiabilidad del suministro de energía eléctrica a grandes centros industriales estos últimos son alimentados por varias centrales que funcionan para una red común.
Los beneficios podrían ser los siguientes:
- Se logra reducir la reserva que se instala para cubrir averías y reparaciones.
- Surge mayor racionalización en los despachos de carga.
- Se logra mejor utilización de aquellas centrales destinadas a cubrir los picos como son las centrales hidro-eléctricas.
Sin embargo el funcionamiento en paralelo de los generadores sincrónicos requiere de una serie de consideraciones y podría definirse al conjunto de operaciones para la conexión en paralelo como sincronización.
Condiciones ideales para la conexión en paralelo de los generadores sincrónicos
- La Fem o tensión generada debe ser igual (y opuesta) al voltaje de la red o de los generadores ya en funcionamiento. $$ E_0 = U_{sistema} $$
- La frecuencia del generador debe ser igual a la frecuencia del sistema. $$ f_g = f_{sistema} $$
- Las tensiones generadas y del sistema deben estar en fase y mantener la misma secuencia de fase.
Sincronización exacta y auto-sincronización
Sincronización exacta: Se lleva a cabo con aparatos sincroniza-dores observando las condiciones ideales para la conexión.
En cuanto a los aparatos Sincroniza-dores el mas sencillo se fundamenta en el método de lamparas de fase, las cuales se conectan en forma de triangulo ya sea;
- Método de lamparas al apagado
- Método de lamparas al encendido.
Conexión con Sincronoscopio por el método de lamparas al apagado
Para conectar por este método el momento de la sincronización debe coincidir con el apagado simultaneo de las tres lámparas.
En principio se supone que una vez igualadas las tensiones por medio de la excitación unos preceden a las otras mientras mantengan diferentes frecuencias, y la tensión en las lamparas que logran su encendido se determinan a través de;
Tensiones en las lámparas
$ E_A + U_A $ → (3) Lampara 3
$ E_B + U_B $ → (2) Lampara 2
$E_C + U_C $ → (1) Lampara 1
Están encendidas para $ U_{Lampara} > 0 $
Cuando coinciden los vectores de la tensión del sistema y del generador se consigue mayor tensión en las lamparas y la luz se hace mas intensa.
En ese caso particular la tensión de la lampara se hace dos veces la tensión del sistema, sin embargo, en los próximos momentos y si la frecuencia no es igual y al desplazarse los vectores uno de otro comienza de nuevo a disminuir las tensiones en las lamparas, es decir, comienzan a apagarse.
El momento de la sincronización debe coincidir de acuerdo al método con el apagado simultaneo de las tres lamparas, es decir,
$ E_A + U_A = 0 $
$ E_B + U_B = 0 $
$ E_C + UC = 0 $
Esto lo podemos simbolizar de la siguiente manera:
Cuando permanecen apagadas por un tiempo prudente significa que $ /omega_s = /omega_g $ , es el momento de hacer la conexión y el generador queda conectado al sistema, es decir, sincronizado (cumpliendo con las tres condiciones ideales de sincronización iguales y opuestas tensiones, iguales frecuencias, en fase y iguales secuencias de fase).
Conexión con Sincronoscopio por el método de lamparas al encendido
Cuando se sincroniza usando este método si existe diferencia entre las frecuencias las lamparas se encienden en orden circular y dan un efecto de rotación de luz, en un sentido si la frecuencia del generador es mayor que la del sistema y en el otro si es el caso contrario.
En el momento de la sincronización debe coincidir dos lamparas encendidas con igual intensidad y la tercera lampara apagada.
Estos métodos pueden realizarse de forma manual y también pueden automatizarse.
Método de auto-sincronización
Para sincronizar por este método el rotor no excitado del generador se eleva a su velocidad de rotación nominal, es decir, velocidad sincrónica de forma tal que la frecuencia o la rotación no difieran mas de un 2% o un 5% que la red o sistema al cual se va a conectar utilizando el siguiente procedimiento:
- Se eleva al velocidad de rotación del generador a su velocidad normal sincrónica con rangos que no se alejen mas de un 2% o un 5%.
- Se conecta el devanado del rotor o de excitación a ciertas resistencias para evitar sobre-tensión al momento de la conexión.
- Se conecta el generador a barra aun sin excitar, es decir, que la excitación es nula y la tensión generada también sera nula.
- Se comienza el proceso de excitación hasta llevar la tensión del generador a que sea igual y opuesta a la del sistema.
- Ya el generador excitado con tensiones igual y opuestas a la del sistema y con su excitación en su valor nominal puede comenzarse el proceso de de ir dándole carga eléctrica al generador de forma paulatina.
Deben hacerse las siguientes observaciones y es que en principio se eleva la corriente y aparecen fuerzas mecánicas en forma de vibración en el eje del generador, proceso que desaparece a los pocos segundos (1 a 7 segundos).
Esta operación resulta relativamente fácil generalmente se hace en poco tiempo y ademas es fácil su automatización.
Proceso de darle carga eléctrica a los generadores conectados en paralelo
Con frecuencia en una misma red trabajan varios generadores sincrónicos en paralelo y la potencia de cualquiera de ellos es mucho menor que la suma de las potencias de los otros restantes, de esta forma se parte de la premisa que la potencia total del sistema es suficientemente grande con relación al generador a conectar, por lo que variaciones de parámetros de ese generador (tensión y frecuencia) y la tensión y la frecuencia del sistema debe permanecer constante.
Al momento de la conexión del generador su tensión generada es igual y opuesta a la tensión del sistema, su corriente en el estator es nula y el generador trabaja en un régimen de vacío y la potencia recibida en forma de momento de torsión del motor primario o turbina se disipa únicamente en compensar las perdidas de vacío.
$ P_1 $ → Potencia aportada por el motor primario
$ P_1 = P_{mecánica} + P_{magnética} + P_{excitación} = P_0 $
Cuando se le aplica carga eléctrica al generador surge la corriente en el estator, esto trae como consecuencia un aumento del momento del rotor primario y surge un desplazamiento angular entre la tensión $ E_0 $ y la tensión a la salida, es decir, aparece el angulo $ \theta $ que simbolizamos en los diagramas vectoriales.
$ P_2 $ → Potencia entregada por el generador al sismtema
$ P_2 = m*U_1 * I * Cos ( \varphi_1) $
Régimen de vació
$ E_0 = U $
$ I = 0 $
$ \theta = 0 $
Régimen de carga: I, U, $ E_0 $, $ \theta $.
Diagrama simplificado: (Pothier)
$ r_a \simeq 0 $
La interacción mutua entre la corriente del estator y el flujo del campo magnético del motor hace que surja el momento electromagnético en el rotor y para este régimen:
$ P_1 = P_0 + P_{electromagnética} $
$ P_2 = P_1 - \sum P = M_1 \omega - \sum P $
La potencia suministrada por el motor primario se regula cambiando el valor del momento " $M_1$ " del motor primario.
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