Capitulos 1 2 y 3_1er.pdf-unprotected

Generadores 11

Capítulo 1 Generadores

1.1 Generalidades sobre los generadores

En la actualidad, la generación de energía eléctrica se realiza casi exclusivamente con alternadores trifásicos de 50 Hz ó 60 Hz. Solamente en algunos países centroeuropeos existen centrales eléctricas para servicio exclusivo de ferrocarriles, en las que se encuentran grandes aHernadores cuya frecuencia es de 16 2/3 Hz. Sin embargo, también se suelen equipar pequeñas centrales hidroeléctricas y centrales eólicas con generadores asíncronos.

El empleo de turboaHernadores o alternadores de polos salientes en las centrales eléctricas se rige por la velocidad de rotación de la máquina motriz. Solamente se suelen encontrar cajas reductoras entre turbina y generador en casos excepcionales, como ocurre en pequeñas instalaciones industriales de turbinas de vapor .

En centrales térmicas con combustibles convencionales (carbón, gas-oil, gas, etc.), se emplean turbogeneradores con una velocidad de giro síncrona de 3000 rev/min (f =50 Hz).

En las centrales termonucleares con reactores de agua en ebullición (BWR), se emplean turbogeneradores tetrapolares de 1500 rev/min (50 Hz). Para reactores de agua a presión (PWR), se emplean generadores bipolares de 3000 rev/min ( f =50 Hz).

Si los alternadores se accionan por medio de turbinas hidráulicas o motores diesel, se habrán de tomar en consideración ejecuciones muHipolares, cuyas velocidades de sincronismo puedan llegar a ser inferiores a 1 00 rev/min.

Los generadores que se emplean en las centrales hidroeléctricas de acumulación y acumulación por bombeo tienen habitualmente velocidades de sincronismo de 600 rev/min a 750 rev/min; mientras que las velocidades de sincronismo de los generadores de grandes centrales hidroeléctricas fluviales están dentro del intervalo de 60 rev/rnin a 125 rev/min (con p = 24 pares de polos y f =50 Hz).

En los turbogeneradores de 3000 rev/min aparecen en la periferia del rotor grandes esfuerzos, por lo que sus diámetros están limitados en la actualidad a aproximadamente 1250 mm. A los valores anteriores les corresponde una velocidad periférica de aproximadamente 200 mis.

Turboalternadores con refrigeración por aire se construyen de hasta 40 MVA (grupos turboaHernadores industriales). Se pueden fabricar de hasta 170 MVA, siempre que se tome

12 Centrales eléctricas

en consideración un rendimiento menos favorable. En la actualidad, por razones económicas, los turbogeneradores de potencia superior a los 50 MVA se realizan con refrigeración por hidrógeno.

1111

o 45 70 90 230 750 1500

S,[MVA]

Fig. 1. 1. 1 Secciones de Jos devanados del estator y del rotor indicando Jos correspondientes medios de refrigeración de Jos mismos en función de la potencia nominal de Jos generadores.

Un mayor aprovechamiento de los generadores se hizo posible gracias a la refrigeración directa por agua del devanado estatórico y de parte del devanado rotórico. El aumento de la refrigeración permite ante todo una elevación importante de la capa de corriente del rotor, lo que conduce a un mejor aprovechamiento de la máquina.

En los grandes generadores bipolares se alcanzan cargas de corriente por encima de los 2,5 .1 os Al m y la inducción llega a aproximadamente 1 ,2 T. Hoy día se obtienen para grandes generadores elevados rendimientos de alrededor del98,5 % para plena carga.

También se han conseguido enormes mejoras desde el punto de vista del aislamiento de los bobinados a base de resinas sintéticas termoelásticas sin disolventes, de tal manera que hoy pueden fabricarse aislamientos del estator impregnados al vacío, que son resistentes al envejecimiento y totalmente insensibles al aceite y al agua.

La potencia del generador se elige en función de la tensión nominal del mismo según la figura 1.1.2. Como intervalo de regulación se prevé en la mayoría de los casos el± 5%. Para los generadores de baja tensión, Un=400 V, la potencia está limitada a 2 MVA.

Generadores 13

u [kV] n

35

30

-- 27 kV 25

21 kV - 24kV

20

15

10 10,5 kV

G,3 kV 5

o ' ' ' ' ' ' ' ' ' o 500 1000 1500

Fig. 1. 1.2 Elección de la tensión del generador en función de la potencia .

La forma típica de refrigeración de las grandes máquinas bipolares y tetrapolares es la refrigeración directa por agua del arrollamiento estatórico y refrigeración directa por H2 del rotor, figura 1.1.3.

Fig. 1.1.3 Corte esquemático de un turbogeneradorde 1490 MVA, cos cp = 0,9, 24 kV, 60 Hz, 1800 min·t de la BBC.

Un aumento de la potencia unnaria es posible con refrigeración directa por agua de los arrollamientos estatórico y rotórico. Las capacidades de evacuación de calor de los medios refrigerantes aire, hidrógeno, agua se comportan como 1: 5 : 50.

Otra de las soluciones empleadas consiste en la refrigeración directa por agua de los devanados estatóricos y rotóricos, mientras que las restantes piezas están refrigeradas por hidrógeno, figura 1.1.4.


Fig. 1.1.4 Corte esquemático de un turbogenerador de 1530 MVA. cos rp = 0,8, 27 kV, 50 Hz, 1500 min·1 de la KWU.

Se pueden llegar a potencias unitarias de 2000 MVA para turboalternadores de dos pares de polos y de 2500 MVA para turboatternadores de cuatro pares de polos.

La potencia límite de los attemadores no viene impuesta en primer lugar por problemas de refrigeración, sino más bien por una serie de problemas parciales, oomo la resistencia de los materiales, el peso, etc. Así el rotor de un atternador de 1500 MVA, cuatro polos, puede pesar 200 toneladas. El peso del estator para el transporte puede ser del orden de las 370 toneladas. Respecto a los generadores superconductores hay que decir que están en una fase experimental. En el M.I.T. se construyó un generador superconductor experimental de 80 kV A.

1.2 Diagramas vectoriales de corrientes y potencias de los alternadores

Los grandes alternadores que se emplean en las centrales eléctricas tienen el devanado inductor situado en el rotor y el devanado trifásico, el inducido, situado en el estator.

La corriente de excitación del devanado rotórioo se suministra generalmente a través de anillos rozantes. Cuando la alimentación se hace por medio de una excitatriz de corriente alterna, a través de diodos que giran con el rotor, no se necesitan anillos ni escobillas.

Las diferencias constructivas entre los generadores de polos salientes y los de rotor cilíndrico (turbogeneradores) condicionan el distinto comportamiento eléctrico. Los arrollamientos del estator son en ambos casos iguales.

De la teoría básica de los generadores síncronos, se sabe que para que el generador suministre potencia activa a la red, el rotor debe de ser acelerado por el motor primario (turbina) hasta un ángulo de carga (J tal que el par de freno que se origina sea igual al par motor (prescindiendo de las pérdidas).

Generadores 15

A partir del diagrama fasorial del generador de polos salientes, utilizando el método de los dos ejes, se pueden obtener de la figura 1.2.1 las siguientes relaciones:

Eje d (lm)

lq !J.p & Eje q (Re) o e p

l.jXq 1 .X Id

q q

ld.xd B

Fig. 1.2. 1 Diagrama fasorial simplificado de un generador síncrono de polos salientes sobreexcitado.

.U.p ~u+ j xq 1

~ ~ll+jXdld + j){,¡lq

siendo:

Xa ~ Reactancia de dispersión del estator.

X;d ~ Reactancia de reacción del inducido longnudinal (según el eje longitudinal).

X;q ~ Reactancia de reacción del inducido transversal (según el eje transversal).

11 ~ Tensión simple o de fase en bornes del generador. 1 ~ Corriente de fase del estator (retrasada un ángulo rp respecto de la tensión .!.!J. E., ~ La tensión en el entrehierro.

E. ~ La f.e.m. de generador.

Xd ~ Reactancia síncrona longnudinal:

Xq ~ Reactancia síncrona transversal:

(1.2.1)

(1.2.2)

(1.2.3)


Para el ángulo de carga 8, y para las potencias activa y reactiva de las tres fases, se obtienen las siguientes relaciones:

p 3U E sen a xd

O= 3U(Ecose- U)

xd

2 + ~(-1-- ~sen2e

2 ~ xd

2 +~(-1-- -1-)(cos2e- 1)

2 ~ xd

(1.2.4)

(1.2.5)

(1.2.6)

El segundo miembro de la ecuación 1.2.5 es independiente de la excttación y determina el círculo de reacción con radio ( 1/Xq - 1/Xd). El generador de polos salientes puede dar potencia reactiva sin excttación, que se designa como potencia de reacción, y cuyo valor máximo se obtiene para un valor del ángulo de carga 8 = 45°.

Para hallar experimentalmente la reactancia síncrona no saturada, Xd, de una máquina síncrona se alimenta ésta a su tensión nominal, se hace girar a la velocidad de sincronismo sin excitar y se mide la corriente estatórica. El valor de la reactancia síncrona no saturada se obtiene como el cociente entre los valores obtenidos de la tensión de fase, Urn• y de la corriente de fase estatórica, /, es decir:

u X=~

d 1 (1.2.7)

El diagrama del turbogenerador se puede deducir del diagrama de la máquina de polos salientes, teniendo en cuenta que mientras que, en la máquina de polos salientes se verifica que Xq < Xd, en el turbogenerador se cumple que )(',¡= )(,¡.

El circutto equivalente está representado en la figura 1.2.2.

fu

Fig. 1.2.2 Circuito equivalente de un turbogenerador.

Generadores 17

A partir de la expresión de la potencia aparente:

• S=3!.ll (1.2.8)

y teniendo en cuenta los valores de J!. e 1 que se obtienen del diagrama fasorial del turbogenerador representado en la figura 1.2.3, la potencia aparente del turbogenerador vale:

.Q = 3 U l(cos cp+ j sen cp) (1.2.9)

sen e + j 3UE (Cose-.!:!.¡ xd E

(1.2.10)

lm

Fig. 1.2.3 Diagrama fasoria/ de un turbogenerador.

Si se dividen los fasores de tensión de la figura 1 .2.3 por j ><.J y se expresan las corrientes en valores relativos respecto a la corriente nominal (p.u.), se obtiene así el diagrama de corrientes del turbogenerador, figura 1.2.4. El triángulo característico está formado por los ladosQQ1 = -j u/x d; QLA.=i y QA=·jelx d· Siendo u y xdlos valores de la tensión simple o de fase en bornes del generador y de su reactancia síncrona expresados en valores relativos (p.u.).

Como nuevo eje real se elige un eje con origen en 0 1• Los valores un~arios u8 e jforman el ángulo rp. El diagrama de corrientes en la figura 1.2.4 está dibujado para valores nominales

Un, in Y (/In·


El segmento .Qd = en 1 xd es, para í =in, igual a la corriente permanente de cortocircuito i k· con la máquina no saturada y corriente de exc~ación nominal.

De la figura 1 .2.4 se obtiene para el ángulo de carga On:

(1.2.11)

La ecuación (1.2.4) es válida también aquí con Xq=X d y operando en valores p. u.

lm + 1

i• [p.u.]

i en= 2,5

o

Re ia [p.u.]

Subexc~ado Sobreexcitado

A Límite de potencia de la turbina

D N - 1 ir [p.u.]

Fig 1.2.4 Diagrama de corrientes de un turbogenerador en p. u.

Generadores 19

El campo de funcionamiento posible de la máquina cuando está acoplada a una red de potencia infinHa queda limHado por las condiciones siguientes:

a) La corriente máxima que el inducido puede ceder teniendo en cuenta el calentamiento admisible en el mismo. Es decir, su intensidad de corriente nominal (i = i,J. Lo que viene representado en la figura 1.2.4 por el arco de circunferencia de centro 0 1 y radio unidad, o sea el arco que pasa por el punto A.

b) La corriente de excitación máxima admisible en el inductor, teniendo en cuenta el calentamiento admisible de la rueda polar. El valor límite de esta corriente es el correspondiente al funcionamiento del alternador a plena carga (i = in) con el factor de potencia nominal asignado a esta carga (cos q¡ =COS fPn ). El lugar geométrico de la corriente de excitación es el arco de circunferencia de radio O A.

En el diagrama anterior el segmento 001 se le asocia la excHación de funcionamiento en vacío (recta del entrehierro), i.os= 1 p.u. (xdreactancia síncrona no saturada), y el segmento .Qillo es a la corriente de excitación nominal ien·

La corriente de excHación para cualquier otro punto de funcionamiento se obtiene en el diagrama de potencias como:

. . QA . e 1 =1 --=1 -e eo,o 00 e o,¡¡ un

-1 (1.2.12)

Si se considera la saturación, el inteJValo de potencia se ve limHado al arco ~. Se ve que la corriente reactiva en el funcionamiento como compensador síncrono llega a ser menor que la corriente nominal de la máquina síncrona.

e) Por la potencia máxima que el motor primario (tUibina, motor de combustión, etc.) puede suministrar. La línea que limita esta condición será la recta horizontal que pasa por el punto A.

d) El límite de estabilidad del sistema motor primario alternador. El intervalo de funcionamiento subexcHado queda limHado por la exigencia de estabilidad de la máquina síncrona. Y aunque este limHe de estabilidad teórico viene limitado por el ángulo de carga Oumlte (Oumlte= n/2 radianes eléctricos), es decir, la normal trazada por el punto O, al objeto de tener un cierto margen de seguridad, ellímHe de estabilidad práctico se fija para un ángulo de carga inferior al 811mlle , entre un 90% y 95% del mismo (la recta 08) y se exige una excHación mínima de O, 1 i eo· Este límite de estabilidad práctico se debe considerar como tal cuando no se haya previsto ningun control de tensión.

A partir del diagrama de corrientes del turbogenerador de la figura 1.2.4, se puede obtener su diagrama de potencias. Manteniendo el convenio de generador se obtiene la figura 1.2.5 cuando se hallan las corrientes conjugadas de la figura 1.2.4 y se muttiplican por u, estando u situada en el eje real del plano de Gauss.

20

Se verifica:

lm

+1

o

o

- 1

J>=Y.i'

~ = p ±jq

Límite de potencia de la turbina

Centrales eléctricas

(1.2.13)

(1.2.14)

Sobreexcitado

Re

Subexcitado

Fig 1.2.5 Diagrama de potencias de un turbogenerador en p. u.

El lím~e de estabilidad real presente en cada caso depende del sistema de excitación, de la función de transferencia del regulador de tensión y de la reactancia exterior.

El diagrama de potencias de un generador de polos salientes se muestra en la figura 1.2.6.

Generadores 21

La diferencia entre Xd y Xq determina el círculo de reaccton. Para los puntos de funcionamiento exteriores al círculo de reacción es la corriente de excitación i9 > O ; para puntos interiores al círculo se verifica, por el contrario i9 < O (excitación negativa), mientras para el propio círculo, i. = O.

lm

+1 t----

q

t


Sobreexcitado

1

8 -- p

Subexcitado

Límite teórico de estabilidad estática

Re

Fig. 1.2.6 Diagrama de potencias de un generador de polos salientes en p.u ..

22

La potencia activa expresada en p. u. vale:

siendo:

Un = La tensión simple nominal en bornes del generador.

In = La corriente nominal de línea del generador.


{1.2.15)

Sustituyendo en la ecuación (1.2.15) el valor de Ppor el obtenido en la ecuación (1.2.5) y transformando todas las magnitudes a valores un~arios, se obtiene:

u.e .sen" 1 1 " u2 ( J p = x d + 2 xq -i<d sen 2 e (1.2.16)

siendo:

u = La tensión simple en bornes del generador (en p.u.). e = La f.e.m simple del generador (en p.u.).

xd = Reactancia síncrona long~udinal del generador (en p. u.).

Xq = Reactancia síncrona transversal del generador (en p. u.).

e = El ángulo de carga del generador.

El límite de estabilidad teórico, que para la máquina de rotor cilíndrico tiene lugar para e= 90°, se presenta en la máquina de polos salientes para e< 90°.

La potencia sincronizante, Psin, viene dada por:

{1.2.17)

p = +u ---cos29 u.e.cos9 2( 1 1 j sin xd xq xd

(1.2.18)

En el límite teórico de estabilidad, la potencia sincronizante se anula:

-.,...--+u ---cos29 =0 u.e.cosa 2( 1 1 j xd xq xd

(1.2.19)

Resolviendo la ecuación anterior y designando como emáx los valores del ángulo de carga e que son soluciones de la misma se obtiene:

Generadores 23

(1 .2.20)

Y sustituyendo el valor de 6 de la ecuación (1.2.16) por el valor de llmáx obtenido en la ecuación (1.2.20) se obtiene que la potencia activa p toma para el ángulo límtte teórico de estabilidad el valor Pm~~xsiguiente:

(1.2.21)

que se corresponde con el punto P de la figura 1 .2.6.

1.3 Cortocircuito en bornes de un generador

Al producirse un cortocircuito repentino brusco en bornes de un alternador aparecen grandes corrientes de cortocircuito en comparación con las corrientes nominales. La corriente alterna de cortocircuito está superpuesta a una componente de corriente unidireccional. En un cortocircuito se distinguen la corriente inicial de cortocircuito (subtransitoria), la corriente transiToria y la corriente permanente. La corriente unidireccional se amortigua tendiendo a desaparecer, mientras que la componente alterna evoluciona a permanente. La figura 1.3.1 muestra el transcurso temporal de la corriente de cortocircutto.

2/2 1" k

i (t)

A

.. , Corriente unidireccional amortiguada

"' ~, CUJva envolvente / ·.., ~, superior '-.... -n-~

lf-lf1-A"-J\-

envolvente inferior

t [ms]

Fig. 1.3. 1 Transcurso temporal de la corriente de cortocircuito en bornes de un generador: rk = Corriente inicial de cortocircuito; 1. = Corriente de choque; /k= Corriente permanente de cortocircuito; A = Valor inicial de la corriente unidireccional.

24

La corriente inicial de cortocircu~o se puede hallar mediante:

111=~ k X"

d


(1.3.1)

El valor de la f.e.m. subtransitoria E" se puede obtener a partir de la carga del generador en el instante anterior a producirse el oortocircu~o mediante:

(1.3.2)

siendo:

U G = La tensión de fase en bornes del generador en el instante antes de que se produzca el cortocircuito.

1 G = La intensidad de corriente suministrada por el generador en el instante antes de que

se produzca el cortocircuito.

<p = El desfase entre la tensión UGe h.

X"• = La reactancia subtransitoria del generador.

Si se oonsidera la amortiguación de la corriente subtransitoria oon la oonstante de tiempo subtransitoria, T''•· y el amortiguamiento simultáneo de la corriente unidireccional con la constante de tiempo, T., en este caso la oorriente de cortocircuito no supera el valor 2v2 /"k sino que alcanza el valor de la corriente de choque 10 :

(1.3.3)

El valor del factor de choque, IC, aumenta oon la potencia del generador y alcanza valores máximos del orden de 1,8 a 1,9 para cortocircuito en bornes, funcionando el generador en vacío, mientras que en caso de cortocircuito en bornes, funcionando a carga nominal, los valores de ICson menores, entre 1,75 a 1 ,85.

Para el cálculo de las oorrientes de oortocircuito según la norma VDE 102, se puede utilizar como valor 1C el obtenido del diagrama de la figura 1.3.2, paraR= RG y X= X"•.

Gsnsradores

2,0

\

1,8 \

1,6 \ "' " 1,4

1,2

1 ,O o 0,2

" " " "" ~ 0,4 0,6

-----0,8 1 ,o

R 1,2 x

25

Fig. 1.3.2 Valor del factor de reducción 1C en función de la relación entre la resistencia R y la reactancia X del circuito equivalente.

También se puede calcular el valor de 1C a partir de la ecuación ( 1 .3 .4):

RG -30301-, x·

K = 1,0220 + 0,96899. e d

siendo:

RG = La resistencia por fase del generador. X"d= La reactancia subtransitoria por fase del generador.

(1.3.4)

Pudiendo tomarse con suficiente exact~ud como resistencia ficticia del generador, Rr;¡, los valores:

RG = 0,05 X"dcon generadores de potencia ;, 100 MVA. RG = 0,07 X"dcon generadores de potencia< 100 MVA.

Teniendo en cuenta que en un cortocircu~o tripolar el generador presenta en cada fase tanto componentes periódicas como unidireccionales, las expresiones del transcurso temporal de las corrientes en cada una de las fases, suponiendo generadores con devanados amortiguadores completos ( x" q = x" d y T.= T" d), serán:

26

siendo:

/"k = /'¡, = /k = T'd = Td = Ta =


Corriente inicial de cortocircuito o corriente subtrans~oria de cortocircuito. Corriente trans~oria de cortocircu~o. Corriente permanente de cortocircu~o.

Constante de tiempo subtrans~oria.

Constante de tiempo trans~oria. Constante de tiempo de la corriente unidireccional.

(1.3.5)

1.4 Solicitaciones sobre la base del alternador en caso de cortocircuito

En caso de cortocircuito, el eje común de la turbina y del generador está sometido a esfuerzos elevados de torsión que se transm~en a las cimentaciones del generador.

Para un cálculo simplificado de dichas solicitaciones se admite que las corrientes de cortocircuito no se amortiguan. Se supone, además, que el cortocircuito tiene lugar cuando

el generador funciona en vacío, que E"= U,(v 3, y que la potencia aparente s'~ = S k"

En caso de un cortocircuito tripolar:

(1.4.1)

(1.4.2)

Gsnsradorss 27

" r;;un 2 u kT (t)=~2 -sen (ro t +- rr)

/3 3 (1 .4.3)

(1.4.4)

(1 .4.5}

(1 .4.6)

La suma de las potencias aparentes instantáneas en las tres fases vale:

(1.4. 7)

que se puede expresar como:

(1.4.8)

(1.4.9)

En valor p.u.:

(1.4.10)

(1.4.11)


El valor de s k3 (t) coincide con el valor en p. u., m k3 (t), momento de cortocircuito, puesto que:

sk 3 (t) Mk3 (t).ro

Sn Mn.ro (1.4.12)

Por tanto:

1 m (t)=-senrot k3 11

xd (1.4.13)

En caso de cortocircuito bipolar se obtiene:

(1.4.14)

De las expresiones anteriores se deduce que la relación entre los pares máximos de cortocircuito bipolar y tri polar es aproximadamente 1 ,3.

Estos momentos pulsantes son transmitidos a través del eje común generador turbina y ocasionan una torsión pulsante sobre el mismo.

Junto con los momentos pulsantes de torsión del eje, se transmiten también fuerzas aRernativas a la cimentación del generador.

Supuesta la cimentación rígida, figura 1.4.1, la fuerza resuRante sobre el fundamento es:

mg M k F=-±-

2 d (1.4.15)

El valor máximo para un cortocircuito tripolar es:

mg Mn 1 F=-± -·-

2 " d Xct (1.4.16)

El valor máximo para un cortocircuito bipolar es:

mg Mn 1 F=- ± 1,3·-·-

2 x.j d (1.4.17)

Generadores 29

Los efectos de estas fuerzas sobre la cimentación se pueden disminuir a base de uniones elástic¡

F

d

Fig 1.4. 1 Esquema equivalente para el cálculo de las solicitaciones sobre la cimentación del generador en caso de cortocircuito.

1.5 Bibliografía

[1] Bódefeld 1 Sequenz, H.: Elektrische Maschinen. Springer·Verlag. Viena 1971. [2] Buchhold·Happoldt: Centrales y redes eléctricas. Editorial Labor. Barcelona, 197 4. [3] Corrales, J.: Introducción a Jos fenómenos transitorios. Marcombo S.A. Barcelona 1983. [4] Cortes, M.: Máquinas eléctricas en régimen dinámico. Ed. T.A, E.T.S.I.I, Barcelona, 1990. [5] Cortes, M.: Máquinas síncronas. Ed. T.A, E.T.S.I.I, Barcelona, 1977. [6] Happoldt, H.; Oeding, D.: Elektrische Kraftwerke und Netze. Springer·Verlag. Berlín,

1978. [7] Weedy, B. M.: Sistemas eléctricos de gran potencia. Editorial Reverté. S.A. Barcelona,

1978

Dispositivos de excitación de los alternadores 31

Capítulo 2 Dispositivos de excitación de los alternadores

2.1 Introducción

Las máquinas de corriente continua, como fuentes de alimentación para la excitación de los alternadores, van disminuyendo cada día en importancia. La rectificación por medio del colector ha sido sustituida por semiconductores. Del mismo modo los reguladores electromecánicos se van sustituyendo por reguladores electrónicos. Sin embargo, todavía se siguen usando excitatrices de corriente continua con reguladores de sectores rodantes para pequeños generadores (figura 2.1.1).

Fig. 2. 1. 1 Excitatriz de corriente continua con un regulador de sectores rodantes BBC.

2.2 Parámetros básicos de un sistema de excitación

Las características de los sistemas de excitación se especifican fundamentalmente con ayuda de dos parámetros:

La tensión máxima de la excitatriz (techo de tensión, "ceiling voltage"). Velocidad de excitación

El techo de tensión de las excitatrices de los turboaHemadores suele ser muy a menudo de un 40% a un 80% superior a la tensión nominal de excitación elegida.


Para determinar la velocidad de excitación se procede de la manera siguiente: Se hace girar el aHernador en vacío, y se regula la tensión de la excitatriz hasta que el generador suministre la tensión nominal. A continuación se cortocircuita el reostato de campo de la excitatriz y se mide como va variando la tensión en bornes del aHernador en vacío con el tiempo. Estos valores se llevan sobre una gráfica (figura 2.2.1 ). Se sustituye la curva u~ rm por una recta ACial que intersecte con la curva u~ f(t), para el intervalo de tiempo comprendido entre t ~ O y t ~ 0,5 s, punto D, la misma área por encima y por debajo de ella. La pendiente de esta curva, tg a, representa la velocidad de excitación.

v ~ AB ~ AB . f - 05'

AD · (2.2.1)

u [V] 8 ~------7C

A

o o 0,5 t[s]

Fig. 2.2. 1 Característica u~ f(t) de un alternador cuando girando en vacío se cortocircuita el reostato de campo de la excítatriz.

Referida a la tensión de excitación nominal, la velocidad de crecimiento de la tensión debe ser, para grandes máquinas, por lo menos de 0,5, es decir, que con una tensión nominal OA de 250 V, la velocidad de crecimiento de la tensión debe alcanzar por lo menos los 125 V/s.

2.3 Excitación con excitatrices de corriente continua

Para alternadores de pequeña potencia, como excitatrices pueden emplearse máquinas de c.c. con excitación derivación a las que se añade un devanado serie para mejorar la respuesta (figura 2.3.1 ). Generalmente, la excitatriz va montada sobre el mismo eje del aHernador. A


partir de la característica de vacío de la máquina de corriente continua excHación derivación (figura 2.3.2) se ve que existe un valor de la resistencia del circuüo de derivación a partir del cual la máquina no se autoexcüa. El valor de esta resistencia crítica para el generador de característica 1 viene dado por la pendiente de la recta OA. Para corrientes de excüación comprendidas entre los puntos O y A la máquina 1 no es estable. Además, para valores próximos a ella, pequeñas variaciones de temperatura pueden ya provocar aumentos de la resistencia del circuito de excHación que den lugar a grandes variaciones de la tensión.

Motor primario

Alternador ................................ ,!

Excttatrlz

Fig. 2.3. 1 Excitatriz de corriente continua de un alternador.

A fin de subsanar este inconveniente, se diseñan las excHatrices de modo que den una característica de vacío curva a partir de pequeñas intensidades de excüación, es decir, que se pase de una máquina del tipo curva característica 1 a una del tipo 2 (figura 2.3.2). Entre los distintos métodos que existen para lograr este objetivo están la disminución de la sección de los polos inductores por medio de hendiduras (polos de regulación) (figura 2.3.3 a), o la introducción en el circuito magnético de materiales de baja permeabilidad (figura 2.3.3 b). Estas modificaciones producen una reducción de la tensión máxima de la excitatriz e imponen un sobredimensionamiento de la misma.

U (V)

1 [A] •

Fig. 2.3.2 Caracterfsticas de vacío de las excitatrices: 1 =Sin polos de regulación; 2 = Con polos de regulación .


a) b)

Fig. 2.3.3 Modificación de la característica de vacío de la excitatriz: a) Mediante hendiduras (polos de regulación); b) Mediante entrehierros entre la carcasa y el polo.

Para alternadores de potencia elevada se emplea un sistema de excitación compuesto por una excitatriz principal, que es un generador de corriente continua una excitación independiente y una excitatriz piloto de excnación derivación (figura 2.3.4). La excitatriz principal es excitada por medio de la excnatriz piloto. Con este sistema se consigue además una mayor estabilidad de la tensión generada y un aumento hasta cinco veces mayor de la rapidez de respuesta.

Motor primario

Alternador ExcitatriZ prlnc_,aJ (excitación independiente)

Excltatr1z piloto (autoexcitada)

Fig. 2.3.4 Sistema de excitación de un alternador a base de una excitatriz principal y una excitatriz piloto.

A pesar de que el campo negativo constituye una carga constante para la excnatriz piloto, su empleo se justifica por la mejora en la respuesta de la excnatriz principal, puesto que, en caso de necesidad de excitación rápida del generador, se puede abrir el interruptor 1.


2.4 Excitación con diodos rectificadores

El uso de máquinas de corriente continua como excitatrices presenta serios inconvenientes cuando se trata de alimentar alternadores de elevada potencia y de elevada velocidad de giro, como es el caso de los turboa~ernadores, debidos fundamentalmente a la presencia del colector de delgas y a la fiabilidad relativamente baja del sistema. Para hacerles frente, una primera solución consiste en sustituir la dinamo por un alternador de inducido móvil y un puente rectificador montado sobre el propio rotor (figura 2.4.1), con lo que se elimina el contacto móvil anillos escobillas (excitación sin escobillas).

Motor primario

/'o--" ¡ ! ···---~-¡ ~ .................. 1 \. ................... ,; :·..... . .................. .

Alternador Pueme Excltatriz Puente Excltatriz rectificador de comente rectificador piloto de trifásico ahema trifásico corriente abema (diodos (inducido (inductor de imán giratorios) giratorio) permanente)

Fig. 2.4. 1 Dispositivo de excitación con excitatriz de corriente alterna y diodos rectificadores.

En la actualidad, dada la fiabilidad y el nivel de potencia logrado por los diodos y tiristores, hace que se empleen éstos en la mayoría de los dispositivos de excitación, uno de los cuales se muestra en la figura 2.4.2.

Fig. 2.4.2 Dispositivo de excitación con excitatriz de corriente alterna y diodos: 1 = Excitatriz de corriente alterna (f= 150 Hz); 2 = Puente de diodos; 3 = Excitatriz piloto de imanes permanentes; 4 = Puente de regulación de tiristores; 5 = Regulador de tensión; 6 = Transformador de adaptación; 7 = Transformador regulador; 8 = Puente rectificador de diodos; 9 = Resistencia de desexcitación; 1 O= Conmutador de funcionamiento manual o automático.

3 6 Centrales eléctricas

2.4.1 Autoexcitación

Otra solución empleada se basa en la posibilidad de lograr la autoexcttación del aHernador (figura 2.4.1.1 }.

Motor primario

Rod

Anemador

Transformador

Puente Exc:ltatrlz rectmcador de comente trilásk:o alterna (diodos (inducido giratorios) giratorio)

Fig. 2.4. 1. 1 Esquema de principio del dispositivo de autoexcitación de un generador síncrono.

Inicialmente esta solución se aplicó a aHernadores de pequeña potencia, mientras que en la actualidad es uno de los sistemas más utilizados cuando se emplean sistemas de excttación de estado sólido utilizándose en aHernadores cuyas potencias incluso superan los 1 00 MVA.

Los sistemas de autoexcitación toman la corriente eléctrica necesaria de los bornes del alternador a través de un transformador de excttación, para una vez rectificada mediante puentes controlados, alimentar el rotor del aHernador, figura 2.4.1.2. El regulador toma las señales de la tensión y de la corriente de la máquina mediante transformadores de tensión e intensidad respectivamente.

Fig. 2.4. 1.2 Esquema de principio de la autoexcitación.


Durante los procesos de arranque, dado que el regulador no puede funcionar con la pequeña tensión generada por el magnetismo remanente de la máquina, es necesario disponer de una fuente de alimentación independiente que alimenta el rotor solamente durante el proceso de arranque.

Con este sistema se obtiene una gran velocidad de regulación, ya que sus constantes de tiempo son mucho menores que las de las máquinas excitatrices. Generalmente, la relación entre la tensión de techo y la tensión nominal de excitación suele ser 1 ,6, pudiendo aumentarse cuando se prevén sobrecargas bruscas en el funcionamiento del grupo. Para conseguir el efecto de desexcitación rápida, los puentes rectificadores controlados utilizados son de cuatro cuadrantes.

En este tipo de montaje con autoexcitación, el cortocircuito en el lado de la red constituye un problema importante, pues en este caso la tensión de alimentación de la excitación desaparece total o parcialmente en función de la impedancia comprendida entre el alternador y el punto de defecto.

Por ello, si el alternador está conectado directamente a un juego de barras, del que se alimenta una serie de cargas (figura 2.4.1.2) y se produce un cortocircuito en una de las líneas, ésta debe ser automáticamente desconectada de forma selectiva y en un tiempo muy breve, a fin de no dejar sin suministro al resto de las cargas. Y como en este caso el sistema de protección empleado en la línea son fusibles, su característica deberá estar por debajo de la característica de cortocircuito (figura 2.4.1.3).

A B e

Fig. 2.4.1.2 Cortocircuito en una red autónoma alimentada por un alternador autoexcitado. G =Alternador; A, B, C = Cargas.

38 Centrales eléctrícas

t[s]

1 [A]

Fig 2.4. 1.3 Cortocircuito en una red autónoma alimentada por un alternador autoexcitado: 1 ~ Característica de la variación de la corriente de cortocircuito con el tiempo; 2 ~ Caracterfstica de funcionamiento del dispositivo de protección. IGn ~ Corriente nominal del alternador; len~ Corriente nominal de la carga.

2.4.1.1 Autoexcltaclón directa sin compoundaje

En este sistema se toma la corriente eléctrica necesaria de los bornes del alternador a través de un transformador de excitación, se rectifica mediante un puente controlado y se envía al rotor del alternador (figura 2.4.1.1.1). Es un sistema simple y sencillo que no necesita mantenimiento.

Fig. 2.4. 1. 1. 1 Autoexcitación directa sin compoundaje ni excitatriz.

2.4.1.2 Autoexcitación directa con compoundaje

En este sistema, al regulador de tensión del sistema anterior, se le añade un puente de diodos alimentado mediante un transformador de corriente de característica lineal. Su primario está recorrido por la intensidad del inducido del aHernador. La tensión secundaria (proporcional a la corriente del generador), una vez rectificada se suma ar~méticamente a la tensión procedente del primer puente rectificador (compoundaje serie) (figura 2.4.1.2.1).


Por medio de este procedimiento se logra mantener la excitación y la corriente de cortocircuito permanente, asegurando por tanto el disparo selectivo de las protecciones o reforzando el acoplamiento del aHernador a la red.

Fig. 2.4.1.2.1 Autoexcitación directa con compoundaje y sin excitatriz.

2.4.2 Autoexcitación indirecta

En estos sistemas, la tensión de salida del generador se utiliza para alimentar una máquina auxiliar acoplada al mismo eje que el aHernador, que alimenta directamente el devanado de excitación. Esta disposición puede llevar o no compoundaje. La máquina auxiliar puede ser de corriente continua o alterna con rectificador.

2.4.2.1 Autoexcitación indirecta sin compoundaje

Se pueden distinguir los siguientes tipos de autoexcitación indirecta sin compoundaje:

a) con excitatriz de corriente continua (figura 2.4.2.1.1 ):

Fig. 2.4.2. 1. 1 Autoexcitación indirecta sin compoundaje y excitatriz de corriente continua.

b) con excitatriz de corriente alterna (figura 2.4.2.1.2):


Fig. 2.4.2. 1.2 Autoexcitación indirecta sin compoundaje y excitatriz de corriente alterna.

2.4.2.2 Autoexcitación indirecta con compoundaje

Se pueden distinguir los siguientes tipos de autoexcitación indirecta con compoundaje:

a) con excitatriz de corriente continua (figura 2.4.2.2.1)

Fig. 2.4.2.2. 1 Autoexcitación indirecta con compoundaje y excitatriz de corriente continua.

b) con excitatriz de corriente alterna (figura 2.4.2.2.2):

Fig. 2.4.2.2.2 Autoexcitación indirecta con compoundaje y excitatriz de corriente alterna.


2.5 Excitación mediante diodos giratorios

Estos sistemas se basan en las técnicas de excitación estática mediante semiconductores estudiados anteriormente. Surgieron a partir del momento en que se dispuso de elementos semiconductores robustos, seguros y de gran potencia, ante la necesidad de sistemas de excitación fiables para los grandes turboalternadores de las centrales termonucleares.

El principio de funcionamiento y el circuito básico se representan en la figura 2.5.1. El inducido de la excitatriz trifásica, con devanado inductor fijo, está montado sobre un eje solidario al del alternador principal 1. El devanado inducido trifásico alimenta al puente rectificador solidario al eje. Los bornes de salida del rectificador alimentan el devanado de excitación del alternador calado sobre su eje.

Tal corno se indica en los esquemas a) y b) de la figura 2.5.1, existen dos posibilidades para la excitación de la excitatriz:

a) La salida del regulador está unida al devanado inductor fijo de la excitatriz trifásica 2 y se alimenta a tensión constante, independientemente del alternador principal 1, por medio de la excitatriz auxiliar de imanes permanentes 4.

1

1

1

a)

~~~ ,11

b)

Fig. 2.5. 1 Principio de acoplamiento de los sistemas de excitación sin escobíl/as: a) Alimentación del regulador con ayuda de una excitatriz de imanes permanentes; b) Alimentación del regulador a partir de los bornes del alternador principal; R = Regulador; r =parte giratoria; 1, 1a =Alternador principal; 2 = Excitatriz trifásica; 3 = Puente rectificador trifásico; 4 = Excitatriz auxiliar de imanes permanentes; 5 = Transformador de alimentación; 6 = Transformador de corriente; 7 = Transformador de tensión para la formación del valor real.


b) El regulador se alimenta de los bornes del a~emador principal por medio del transformador 5 que suministra la potencia necesaria para la exc~ación. Mediante el transformador de intensidad 6 se aplica al regulador una tensión dependiente de la carga que se añade a la tensión de excitación de consigna.

Según las circunstancias se elige uno u otro método. La alimentación a partir de los bornes del alternador principal lleva a una solución favorable siempre que se trate de pequeñas máquinas de baja y media tensión y de pequeñas velocidades. Mientras que. para los turboalternadores se prevé una generatriz de exc~ación auxiliar trifásica si se trata de potencias superiores a 30 MW.

Los diodos, junto con sus elementos de protección, radiadores y fusibles se encuentran sobre la cara interior de dos anillos montados en caliente sobre el rotor, tal como se muestra en las figuras 2.5.2 y 2.5.3, de forma que los grupos de diodos de un mismo polo se encuentran sobre el mismo anillo.

Fig.2.5.2 Excitatriz sin escobillas ni colectores para un turboalternador de 667 MVA: 1 = Anillos de soporte del rectificador; 2 = Diodos de silicio; 3 = Radiadores de Jos diodos; 4 = Armarios para Jos circuitos de protección; 5 = Fusibles de Jos circuitos de corriente; 6 = Anillos de soporte de Jos conductores de corriente alterna y las partes emisoras del sistema de vigilancia de Jos circuitos de corriente; 7 = Excitatriz trifásica; 8 = Excitatriz auxiliar de imanes permanentes.

En la actualidad, prácticamente todos los montajes emplean puentes de diodos trifásicos, con una o varias ramas en paralelo para cada fase en función de la potencia requerida en la exc~ación. En cada trayecto de corriente se encuentra un fusible de protección.

Dispositivos de excitación de Jos alternadores 43

Fig.2.5.3 Parte rectificadora de la excitatriz sin colector ni escobillas de 2 MW de la figura 2.5.2, montada sobre un eje separado para los ensayos.

2.5.1 Detección de los fallos en los diodos

La vigilancia y detección del fallo de los diodos se realiza según el principio de funcionamiento de la figura 2.5.1.1. En la figura 2.5.1.1 a) se representa el corte transversal según un plano perpendicular al eje del alternador de los conductores de cada trayecto, a la altura del equipo de detección. En este ejemplo se tienen cuatro caminos en paralelo para cada fase. Frente a ellos hay un conjunto de cuatro bobinas arrolladas sobre núcleo magnético en las cuales se inducen tensiones debidas a los campos magnéticos creados por las distintas intensidades.

a)

22,2l,24

e 1 2 3 4 B

A

1

b) 1

21 1

24 :

-tf}-{~)11

R 1 ,z..a_ fl-1 ---1 .rl

1 1

1 1 1

Fig.2.5. 1.1 Vigilancia selectiva del circuito de corriente de un rectificador giratorio: a) Esquema de funcionamiento de una rama; b) Tratamiento y utilización de los impulsos.


Los circuitos de corriente a14; b 14 y c14de los grupos A,B, Cprovistos de núcleos emisores inducen impulsos en las sondas 11 a 14, cuya forma se muestra en la figura 2.5.1.2. Cuando estos impulsos coinciden con los impulsos de referencia R 1.3, (generados por un imán permanente calado en el eje), producen el encendido de las lámparas testigo 1 a 4. Si el circuito de corriente se interrumpe, la lámpara testigo correspondiente no se ilumina y el defecto puede ser localizado, por ejemplo: grupo A, lámpara 3 apagada significa que el circuito a 3 está defectuoso.

Fig.2.5. 1.2 Impulso recibido por la sonda (señal superior) e impulso a la salida del comparador Schmidt-Trigger (señal inferior).

2.6 Bibliografía

[1] Buchhold-Happoldt: Centrales y redes eléctricas. Editorial Labor. Barcelona, 197 4. [2] Happoldt, H.; Oeding, D.: Elektrische Kraftwerke und Netze. Springer-Verlag. Berlín,

1978. [3] Dudler, A.: Regulation de la tension des altemateurs synchrones avec les regulateurs

Unitrol. Rev. Brown Boveri, núm 1, 1970, pág. 41-48. [4] Merhof, W.: Excitation sans balais ni bagues des machines synchrones par

intermediaire des redresseurs toumants á semiconducteurs. Rev. Brown Boveri, núm. 9, 1967, pág. 539 - 553.

[5] Zoppetti, G.: Centrales hidroeléctricas. Ed. Gustavo Gili S.A. México, 1982.

Regulación y reguladores 45

Capítulo 3 Regulación y reguladores

3.1 Regulación de tensión

La misión de la regulación de tensión en las centrales consiste en:

a) mantener la tensión de la red eléctrica dentro de los márgenes de variación permitidos independientemente del nivel de carga.

b) regular la potencia reactiva, de modo que ésta se reparta de modo adecuado entre los diferentes generadores de la central.

e) mantener el sincronismo del alternador con la red y de modo especial en el caso de cortocircuito.

Todas estas funciones se realizan mediante el control del sistema de excitación de los alternadores

3.2 Reguladores de tensión

Desde el punto de vista constructivo existen dos tipos básicos:

reguladores electromecánicos y reguladores electrónicos.

3.2.1 Reguladores electromecánicos.

Su principio de funcionamiento está basado en regular la tensión de la excitatriz de corriente continua. Ejemplos de este tipo lo constituyen el regulador de Tirrill y el regulador de sectores rodantes de BBC.

3.2.1.1 Regulador de Tirrill

El regulador de Tirrill o regulador de contactos vibrantes (figura 3.2.1.1.1) consiste en un contacto que cortocircuita de forma intermitente una resistencia, dispuesta en serie con el devanado de excitación. Su principio de funcionamiento esta basado en las diferentes constantes de tiempo del circuito de excitación cuando la resistencia en serie, R, está


cortocircuitada o no por el contacto. Cuando este contacto está cerrado, la constante de tiempo del circuito de excitación, T1 = L 1 Rex• es mucho mayor que la constante de tiempo T2

= L 1 (R +Rex) del circuito cuando el contacto está abierto y, por tanto, la resistencia R esta intercalada. Por consiguiente, en ambos casos la intensidad de excitación y, por tanto, la tensión generada, crece o decrece de forma exponencial, pero con distintas constantes de tiempo. Es decir, con el contacto cerrado crece más lentamente que decrece al abrir el contacto (figura 3.2.1.1.2).

Fig. 3.2. 1. 1. 1 Esquema de principio de un regulador automático de tensión Tirri/1.

Fig. 3.2. 1. 1.2 Curvas características del funcionamiento de un regulador automático de tensión Tirri/1.


En régimen permanente, el contacto está vibrando de forma permanente y la tensión sigue la curva 3. En el caso de que la tensión del alternador aumente por una disminución de la carga, el contacto queda abierto durante algunos ciclos y la tensión decrece según la curva 2. En caso contrario, el contacto permanece cerrado durante unos instantes y la tensión aumenta. Para que el sistema tenga una velocidad de respuesta elevada es necesario que las tensiones de excitación se mantengan en la zona de pendiente más elevada de las curvas 1 y 2, lo que exige un techo de tensión de la excitatriz muy elevado (excitatriz sobredimensionada). En la figura 3.2.1.1.3 se representa el esquema completo de un regulador de Tirrill.

A S T

1

Generador 1

'H<>---''---'i

S

1

Regulador ¡ ~et~nsi?~

Excitatriz

Fig. 3.2. 1. 1.3 Esquema de conexiones de un regulador automático Tirri/1 compensado: e = Relé intermedio; m,n =arrollamientos del relé intermedio; c1, c2 = Contactos del relé intermedio; K1 = Relé vibrador; 5 1 = Arrollamiento del relé vibrador; C1 =Contacto del relé vibrador; H1 =Palanca del relé vibrador; F1 = Resorte antagonista del relé vibrador; K2 = Relé de tensión; 52 = Arrollamiento principal del relé de tensión; 5 3 = Arrollamiento compensador del relé de tensión; C2 = Contacto del relé de tensión; H2 = Palanca del relé de tensión; F2 = Resorte antagonista del relé de tensión.

3.2.1.2 Regulador de sectores rodantes

Es un regulador del tipo de ajuste continuo de la resistencia de control de la excitación (figura 3.2.1.2.1).


············································································:·········yr·····························································~~

1

5 5

"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"•"••.•.•.v.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.• ..... •.•.•.•.•.•.•.•.•.•.•.·.•.•.•.J

Fig. 3.2. 1.2. 1 Representación esquemática de un regulador automático Brown Boveri: 1 = Bobina del sistema voltimétrico (estator); 2 = Tambor de aluminio (rotor); 3 = Resorte espiral; 4 = Resistencias del reostato; 5 = Contactos; 6 = Sectores de aluminio; 7 = lndice; 8 = Escala graduada; 9 = Disco de aluminio; 1 O Imanes permanentes; 11 =Piñón; 12 = Sector dentado; 13 = Resorte de acoplamiento.

Este regulador, diseñado por Brown Boveri, consiste en un tambor de aluminio (2) sobre el que se ejerce un par de giro provocado por un sistema voltímetro (1 ). Este par se contrarresta por el producido por un resorte en espiral. Sobre dos pivotes montados en el disco se apoyan dos sectores (6), que ruedan sobre una batería de contactos (5), correspondientes a distintos valores de la resistencia de excitación. Al rodar insertan más o menos resistencia en el circuito. El tambor lleva también un índice (7) y otro resorte de acoplamiento (13), asociado a un sector dentado que acciona un disco de aluminio (9). Este disco dispone de un sistema de amortiguación a base de dos imanes permanentes.

Si el regulador se encuentra en equilibrio en la posición 1 del índice y en ese instante disminuye la carga del alternador, la tensión aumenta y el par producido por el motor Ferraris es mayor que el ejercido por el resorte. El movimiento es oscilatorio y se alcanza una posición de rebase, posición 3 del índice, que corresponde a la nueva posición de equilibrio, posición 2 del índice. El resorte y el disco amortiguador (12) y (13) limitan el movimiento a la primera sobreoscilación.

Este regulador tiene una característica tensión-posición del regulador de tipo descendente. Se puede compensar la característica descendente o estática incluyendo un compoundaje de intensidad. Dicha compensación se ajusta para factores de potencia intermedios del orden de 0,8. Para desfases mayores habrá un descenso de la tensión. Si existen varias máquinas en paralelo y una tiende a excitarse demasiado, el resultado es que trabajará con peor factor de potencia, disminuyendo el efecto del compoundaje con lo que también disminuye la excitación y el factor de potencia vuelve a mejorar. Al depender el compoundaje del factor de potencia, permite no sólo mantener la tensión sino los factores de potencia de los diferentes generadores acoplados en paralelo.


3.2.2 Reguladores electrónicos

Al hablar de turboalternadores habíamos visto que en el diagrama de potencias había una serie de límites impuestos, como: la potencia mecánica en el eje del alternador AC, la intensidad nominal de la corriente del generador 01A, la intensidad nominal de la corriente de excitación QA.y el ángulo de carga (9 mlir 0 11m práctico= 85 °}, condiciones de estabilidad estática y dinámica) (figura 3.2.2.1 ).

- 1

Subexcitado

8

o

Sobreexcitado


D + 1

Fig. 3.2.2. 1 Diagrama de potencias de un turboalternador en p. u.

Los !imitadores de corriente estatórica y de ángulo de carga actúan directamente y en paralelo sobre el regulador de tensión, lo que tiene por efecto aumentar la corriente de excitación cuando el generador trabaja en régimen subexcitado. Estos !imitadores son de actuación inmediata para evitar que el alternador se salga de sincronismo.

Los !imitadores de las corrientes estatórica y retórica actúan sobre el regulador de tensión con retardo y tienen por efecto disminuir la corriente de excitación cuando el generador trabaja en régimen sobreexcitado. En ellos, la misión del retardo de las corrientes retórica y estatórica es permitir posibles sobrexcitaciones transitorias, como en el caso de cortocircuitos trifásicos en la red, en los que el regulador debe aumentar la intensidad de excitación para reforzar el acoplamiento del alternador a la red. Sin embargo, los !imitadores de corriente deben actuar para proteger los devanados de la máquina en el caso de que el cortocircuito no sea eliminado dentro del tiempo prefijado.


En la figura 3.2.2.2 se muestra el esquema funcional de bloques de un regulador de tensión con este tipo de !imitadores (BBC}.

Fig 3.2.2.2 Esquema de principio de un regulador de tensión de un alternador con /imitadores adicionales: 1 = Regulador de tensión con un dispositivo de regulación por tiristores; 11 = Limitador de ángulo de carga; 111 = Limitador de corriente estatórica; IV = /imitador de corriente rotórica; V = Integrador con tiempo muerto; 1 = Transformador de medida de la tensión; 2 = Transformador de medida de la corriente; 3 = Transformador de medida de la corriente rotórica; 4 = Transformador para la alimentación del dispositivo de regulación; E 1 = Entrada de la medida de tensión; E2 = Entrada de la medida de corriente; A 1, A2 = Salidas; 1 = Corriente estatórica; 18 = Corriente rotórica; t1 = Tiempo muerto del integrador; 9 =Ángulo de carga.

3.2.2.1 Limitador del ángulo de carga

Este elemento limita el ángulo de carga, 91, que forma la tensión en bornes, Y.¡,, con el vector tensión de la rueda polar, JZ., del alternador. Cuando la regulación de tensión se hace en barras de la subastación de la central, hay que tener en cuenta las caídas de tensión inductivas en las barras que unen el alternador con el transformador de salida y este mismo jxtl (figura 3.2.2.1.1}. El vector tensión de red será por tanto la suma de esta caída de


tensión y la tensión en bornes del alternador. Para hallar el valor de fl habrá que sumar estas caídas a la tensión en bornes. Esto se lleva a cabo en unos circuitos desfasadores adecuados, de forma que efectúan la suma o diferencia de las dos caídas de tensión a la tensión en bornes de la máquina. Y, a partir de estas señales transformadas en impulsos rectangulares y restadas en un amplificador, se obtiene una señal cuyo valor medio representa el ángulo de carga. La señal del ángulo de carga se compara con la señal de consigna del ángulo de carga y la diferencia actúa sobre el regulador de tensión.

Fig 3.2.2. 1. 1 Diagrama fasorial de un turboalternador subexcitado en valores p. u. : .!l = F.e.m; i = co"iente estatórica; .JJ.n = tensión de la red; 1.J.b = Tensión en bornes del alternador; xt = Reactancia externa (transformador, línea, etc); XcJ = Reactancia de eje directo (reactancia síncrona); (} = Ángulo de carga total; O;

= Ángulo de carga.

3.2.2.2 Limitador de corriente estatórica

Este !imitador tiene que actuar de dos formas diferentes sobre el regulador de tensión, según la máquina esté subexcitada o sobreexcitada. Cuando la carga es inductiva, la corriente del estator debe limitarse a valores admisibles disminuyendo la excitación, y cuando la carga es capacitiva, aumentando la excitación.

La intensidad del estator se convierte en una tensión continua equivalente, polarizada positiva o negativamente según el factor de potencia sea inductivo o capacitivo. Esta señal se compara con el valor de consigna y el resultado se amplifica en dos amplificadores separados. El correspondiente a la intensidad capacitiva actúa directamente a través de un diodo sobre el circuito de mando del regulador. El segundo actúa a través de un circuito de retardo (integrador).


3.2.2.3 Limitador de intensidad de excitación

Actúa comparando el nivel de tensión equivalente a la corriente de excitación con el de consigna. Una vez amplificado el resultado se lleva a la entrada del regulador a través de un circuito de retardo.

3.3 Bibliografía

[1] Buchhold-Happoldt: Centrales y redes eléctricas. Editorial Labor. Barcelona, 1974. [2] Cortes, M.: Curso moderno de máquinas eléctricas. Ed. Técnicos Asociados,

Barcelona, 1974. [3] Happoldt, H.; Oeding, D.: Elektrische Kraftwerke und Netze. Springer-Verlag. Berlin,

1978. [4] Haller, W.: Limiteurs de courant d'excitation dans les machines synchrones. Rev. Brown

Boveri, núm. 2, 1970, pág. 60 -65. [5] Sanz, J.: Centrales eléctricas. Sección de Publicaciones. E.T.S.I.I.M. Madrid, 1979. [6] Vénikov, V.: Procesos transitorios electromecánicos en los sistemas eléctricos de

potencia. Ed. Mir. Moscú, 1988. [7] Zoppetti, G.: Centrales hidroeléctricas. Ed. Gustavo Gili S.A. México, 1982.

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