EE243-M-LABORATORIO EE243-M-LAB ORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS III
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
INFORME FINAL 3
GENERADOR SÍNCRONO EN OPERACIÓN AUTORES:
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Chavez Galvez Edward Leonardo Altez Oscar Chavez Campos, Anthony Justiniano Montes Espinoza Luis Alberto
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Laboratorio de Máquinas Eléctricas III
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CURSO:
PROFESORES:
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Caceres Cardenas Felix Victor Medina Ramirez Jose Agustin
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03
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GRUPO:
El Generador Síncrono en Operación
Resumen — En esta experiencia de laboratorio utilizaremos el grupo BROWN BOVERI instalado en el Laboratorio de Electricidad N°6 ubicado en el pabellón “A” en la Facultad de Ingeniería Mecánica en la UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, analizaremos las perturbaciones ocasionadas por el arranque de un motor de inducción de una potencia significativa para el generador, así como también analizaremos el impacto de una carga puramente resistiva, estas perturbaciones en la generación nos darán un alcance de lo que sucede en una central de generación eléctrica mucho más grande. Además nos dará criterios necesarios a la hora de diseñar o implementar los reguladores de tensión y frecuencia así como poner en paralelo el generador con el SEIN.
Índice de Términos — Generador Síncrono, Grupo Brown Boveri, Regulador de tensión
y frecuencia, motor de inducción, carga resistiva.
INTRODUCCIÓN En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía (química, cinética, térmica, lumínica, nuclear, solar entre otras), en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador eléctrico; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan. Desde que se descubrió la corriente alterna y la forma de producirla en los alternadores, se ha llevado a cabo una inmensa actividad tecnológica para llevar la energía eléctrica a todos los lugares habitados del mundo, por lo que, junto a la construcción de grandes y variadas centrales eléctricas, se han construido sofisticadas redes de transporte y sistemas de distribución. Sin embargo, el aprovechamiento ha sido y sigue siendo muy desigual en todo el planeta. Así, los países industrializados o del primer mundo son grandes consumidores de energía eléctrica, mientras que los países en vías de desarrollo apenas disfrutan de sus ventajas. La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región o país tiene una variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores, entre los que destacan: tipos de industrias existentes en la zona y turnos que realizan en su producción, climatología extremas de frío o calor, tipo de electrodomésticos que se utilizan más frecuentemente, tipo de
calentador de agua que haya instalado en los hogares, la estación del año y la hora del día en que se considera la demanda. La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda y, a medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar la potencia suministrada. Esto conlleva el tener que iniciar la generación con unidades adicionales, ubicadas en la misma central o en centrales reservadas para estos períodos. En general los sistemas de generación se diferencian por el periodo del ciclo en el que está planificado que sean utilizados; se consideran de base la nuclear y la eólica, de valle la termoeléctrica de combustibles fósiles, y de pico la hidroeléctrica principalmente (los combustibles fósiles y la hidroeléctrica también pueden usarse como base si es necesario). Dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, las centrales generadoras se clasifican en químicas cuando se utilizan plantas de radioactividad, que generan energía eléctrica con el contacto de esta, termoeléctricas (de carbón, petróleo, gas, nucleares y solares termoeléctricas), hidroeléctricas (aprovechando las corrientes de los ríos o del mar: mareomotrices), eólicas y solares fotovoltaicas. La mayor parte de la energía eléctrica generada a nivel mundial proviene de los dos primeros tipos de centrales reseñados. Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador de corriente, movido mediante una turbina que será distinta dependiendo del tipo de energía primaria utilizada. Por otro lado, un 64 % de los directivos de las principales empresas
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eléctricas consideran que en el horizonte de 2018 existirán tecnologías limpias, WN, accesibles y renovables de generación local, lo que obligará a las grandes corporaciones del sector a un cambio de mentalidad.
ESTADO DEL ARTE Central Hidroeléctrica Una central hidroeléctrica es aquella que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una presa situada a más alto nivel que la central. El agua se lleva por una tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde mediante enormes turbinas hidráulicas se produce la electricidad en alternadores. Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son: La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador. La energía garantizada en un lapso determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, de la pluviometría anual y de la potencia instalada. La potencia de una central hidroeléctrica puede variar desde unos pocos MW, hasta varios GW. Hasta 10 MW se consideran minicentrales. En China se encuentra la mayor central hidroeléctrica del mundo (la Presa de las Tres Gargantas), con una potencia instalada de 22.500 MW. La segunda es la Represa de Itaipú (que pertenece a Brasil y Paraguay), con una potencia
instalada de 14.000 MW en 20 turbinas de 700 MW cada una. Esta forma de energía posee problemas medioambientales al necesitar la construcción de grandes embalses en los que acumular el agua, que es sustraída de otros usos, incluso urbanos en algunas ocasiones. Actualmente se encuentra en desarrollo la explotación comercial de la conversión en electricidad del potencial energético que tiene el oleaje del mar, en las llamadas centrales mareomotrices. Estas utilizan el flujo y reflujo de las mareas. En general puede ser útiles en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia, y las condiciones morfológicas de la costa permitan la construcción de una presa que corte la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bobina Generador Síncrono El generador síncrono, también conocido como alternador síncrono o sincrónico, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. Su velocidad de rotación se mantiene constante y tiene un vínculo rígido con la frecuencia f de la red. Su relación fundamental es:
Donde n representa la velocidad en R.P.M. y p el número de pares de polos. Entre los diferentes tipos de generadores síncronos existen los de tipo trifásico, que son los más comunes a la hora de generar energía eléctrica para uso domiciliario e industrial, así
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como también existen generadores monofásicos usados para ferrocarriles.
Se expresa en rad/s Una máquina sincrónica, posee dos fuerzas magnetomotrices: la del rotor y la del estator.
Principio de Funcionamiento El generador síncrono, basa su funcionamiento en la Ley de Faraday y la inducción electromagnética. Cuando un conductor eléctrico y un campo magnético se mueven de manera relativa uno respecto del otro, se induce en el conductor una diferencia de potencial.
El rotor gira al recibir un empuje externo desde un motor diesel, turbinas de gas, turbinas de vapor, sistema de ciclo combinado o hidráulico. En los generadores de gran potencia, se acopla mecánicamente un generador de corriente directa (excitatríz), del que se obtiene la tensión necesaria para excitar al rotor.
Funcionamiento El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator.
En las máquinas actuales, se coloca un dispositivo interior giratorio conformado por un núcleo magnético y un conductor dispuesto en forma de espiras llamado rotor (inductor), y una parte externa fija denominado estator (inducido). Al rotor se le suministra una corriente continua para su excitación, la que genera un campo magnético. De acuerdo al Teorema de Ferraris, al hacer girar el rotor mediante un evento externo, se induce en el estator un campo magnético giratorio. Este campo, induce en los devanados del estator una fuerza electro motríz (F.E.M.) alterna senoidal. La velocidad angular de rotación del campo, está determinada por la frecuencia de la corriente alterna y del número de pares de polos.
Tipos Constructivos Inductor (rotor) Las dos principales diferencias entre los distintos tipos de generadores síncronos, referidas al rotor son: 1.- Su construcción física. 2.- El sistema de alimentación de corriente continua empleado para su excitación. Excitación Independiente: excitatriz independiente de corriente continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje. Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería). Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor 2017-2
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(dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna). Excitación estática o por transformador de compoundaje, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentación a transformador y rectificadores que toma la tensión y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensión e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensión de salida a una más baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulación intrínseca, ya que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitación del generador.
Un campo magnético rotativo o campo magnético giratorio es un campo magnético que rota a una velocidad uniforme (idealmente) y es generado a partir de una corriente eléctrica alterna trifásica. Fue descubierto por Nikola Tesla en 1882, y es el fenómeno sobre el que se fundamenta el motor de corriente alterna.
ALCANCES Los generadores síncronos son dispositivos electromagnéticos y electromecánicos, constituido por circuitos magnéticos y circuitos eléctricos; dichos generadores síncronos tienen reguladores de tensión y frecuencia los cuales gobiernan su funcionamiento; para ser analizados se requiere modelarlos matemáticamente según la teoría de control, la cual hace algunas suposiciones y simplificaciones en los parámetros del generador síncrono. Tales simplificaciones definen los alcances de este informe, pues el modelamiento del generador síncrono está ligado a teoría de control mediante el cual se modela matemáticamente.
Inducido (estator)
El estator de este tipo de generador, está constituido por un núcleo armado de chapas de acero electrotécnico (Hierro-Silicio), con un gran número de ranuras sobre las que se aloja el devanado trifásico. Este devanado, está dispuesto de tal forma que los principios de cada fase, se disponen a 120 grados eléctricos entre sí. Las formas fundamentales del conexionado de sus salidas son: estrella, triángulo, doble estrella, doble triángulo.
OBJETIVOS Objetivos Generales Consolidar a través de la experimentación los conocimientos adquiridos en el curso de máquinas eléctricas III; específicamente el tema del generador síncrono. Conocer la construcción física y operación del grupo BROWN BOVERI ubicada en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Facultad. Conocer la operación de los dispositivos de regulación de tensión y
Campo Magnético Rotatorio
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regulación de frecuencia de una central eléctrica, así como el proceso de puesta en marcha de una central eléctrica que empieza a operar por primera vez.
Centrales termoeléctricas alimentadas por gas, por vapor, por carbón, de ciclos combinados, de turbinas a gas y a diésel. Centrales de energía geotérmica.
Objetivos Específicos Verificación experimental de las perturbaciones que se genera en los reguladores de tensión y frecuencia cuando se arranca un motor de potencia considerable respecto a la potencia del generador síncrono. La observación y verificación experimental del efecto que produce dichas perturbaciones para distintas magnitudes de la corriente de arranque al conectar diferentes cargas. El funcionamiento del generador síncrono; Repasar los conceptos teóricos que la fundamentan. Comprender en detalle el funcionamiento de los reguladores de tensión y frecuencia desde el punto de vista de la teoría de control; Repasar su modelamiento matemático. Comprender en detalle el funcionamiento de las excitatrices para controlar la tensión de los generadores síncronos. Repasar los distintos tipos de modelamiento de excitación y regulación de tensión para poder dar solución a las preguntas del presente laboratorio.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los proyectos termoeléctricos pueden incluir los siguientes tipos de centrales, los que determinan en forma muy marcada el tipo e importancia de los potenciales impactos ambientales:
Centrales de combustibles alternativos. Centrales termonucleares. Los componentes principales de los proyectos termoeléctricos incluyen: El sistema de energía (es decir, la turbina o el generador de la fuente de energía). Los elementos auxiliares, que pueden incluir el sistema de enfriamiento, el equipo de limpieza de la chimenea. Almacenamiento del combustible y áreas de manejo. Sistemas de entrega del combustible; Áreas para almacenar los desechos sólidos. Vivienda para los trabajadores; Subestaciones eléctricas. Líneas de transmisión. Los impactos negativos pueden ocurrir durante la construcción, así como la operación de las plantas termoeléctricas. Los impactos de la construcción son causados, principalmente, por las siguientes actividades de la preparación del sitio: desbroce, excavación, movimiento de tierras, drenaje, dragado o embalse de los ríos y otras extensiones de agua, establecimiento de las áreas de colocación, de préstamo y de relleno. Se emplea un gran número de 2017-2
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trabajadores en la construcción de las centrales energéticas, y esto puede causar impactos socioculturales importantes en las comunidades locales. Las plantas termoeléctricas son consideradas fuentes importantes de emisiones atmosféricas y pueden afectar la calidad del aire en el área local o regional. La combustión que ocurre en los proyectos termoeléctricos emite dióxido de sulfuro (S02), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (C02) y partículas (que pueden contener metales menores). Las cantidades de cada uno dependerán del tipo y el tamaño de la instalación y del tipo y calidad del combustible, y la manera en que se queme. La dispersión y las concentraciones de estas emisiones, a nivel de la tierra, son el resultado de una interacción compleja de las características físicas de la chimenea de la planta, las cualidades físicas y químicas de las emisiones, las condiciones meteorológicas en el sitio, o cerca del mismo durante el tiempo que se requiere para que las emisiones se trasladen desde la chimenea hasta el receptor a nivel de la tierra, las condiciones topográficas del sitio de la planta y las áreas circundantes, y la naturaleza de los receptores (p.ej., seres humanos, cultivos y vegetación nativa). Típicamente, el agua de enfriamiento limpia constituye el efluente más importante que proviene de las plantas termoeléctricas. Puede ser reciclada o descargada a la extensión de agua superficial, sin causar efectos mayores en cuanto a su calidad química. Sin embargo, debe ser considerado el efecto del calor residual sobre la temperatura del agua ambiental,
durante la evaluación de las plantas que contemplen utilizar, sin reciclaje, el agua de enfriamiento. Un aumento pequeño en la temperatura del agua ambiental puede alterar, radicalmente, las comunidades de las plantas y la fauna. Los otros efluentes que producen los proyectos termoeléctricos son menos abundantes, pero pueden alterar, grandemente, la calidad del agua. Por ejemplo, los efluentes de las plantas termoeléctricas a carbón contienen el agua de lavado del sistema de enfriamiento, de la caldera, del desmineralizador, del regenerador de resinas, del eliminador de ceniza y el escurrimiento de los montones de carbón, ceniza y del patio, así como otras descargas de bajo volumen causadas por los accidentes o derrames. Se encuentran diferentes combinaciones de metales y otros químicos en estos efluentes. En las plantas a petróleo los derrames de combustible tienen un impacto negativo sobre la calidad del agua. Como algunos de los impactos pueden ser evitados completamente, o mitigados más exitosamente, a menor costo, si el sitio se escoge, prudentemente.
ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN La evaluación ambiental debe incluir un análisis de las alternativas razonables que podrían cumplir los objetivos finales del proyecto termoeléctrico. El análisis puede producir alternativas más solventes que el proyecto original, desde el punto de vista ambiental, sociocultural y económico. Se deben considerar algunas alternativas: No hacer nada (es decir, examinar las 2017-2
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consecuencias de no tomar acción alguna para cumplir con las necesidades de la demanda que se esperan). Combustibles alternativos. Alternativas para el manejo de la energía y la carga. Alternativas en cuanto a la selección del sitio. Alternativas para la eliminación del calor. Alternativas para el suministro de agua/ alternativas de abastecimiento. Alternativas para la eliminación de los desechos sanitarios y de la planta; Alternativas para la eliminación de los desechos sólidos. Opciones en cuanto a los equipos de ingeniería y control de la contaminación. Opciones de control para la gerencia; Alternativas para la estructura social, incluyendo la infraestructura y el empleo. Las alternativas deben ser evaluadas como parte del proceso conceptual de diseño; sin embargo, se recomiendan las alternativas que facilitan el control ambiental efectivo y económico. Se debe ponderar la suficiencia de las alternativas en relación con los factores ambientales y económicos. ALTERNATIVA ELEGIDA Alternativas para el manejo de la energía y la carga.
Aquí se tiene a la denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la eólica, geotérmica, hidroeléctrica, mareomotriz, solar, undimotriz, la biomasa y los biocarburantes.
Un concepto similar, pero no idéntico es el de las energías alternativas: una energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. El consumo de energía es uno de los grandes medidores del progreso y bienestar de una sociedad. El concepto de "crisis energética" aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se agotan. Un modelo económico como el actual, cuyo funcionamiento depende de un continuo crecimiento, exige también una demanda igualmente creciente de energía. Puesto que las fuentes de energía fósil y nuclear son finitas, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía: éstas serían las energías alternativas. Por otra parte, el empleo de las fuentes de energía actuales tales como 2017-2
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el petróleo, gas natural o carbón acarrea consigo problemas como la progresiva contaminación, o el aumento de los gases invernadero.
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Dicho modelo se basa en las siguientes premisas: El uso de fuentes de energía renovable, ya que las fuentes fósiles actualmente explotadas terminarán agotándose, según los pronósticos actuales, en el transcurso de este siglo XXI. El uso de fuentes limpias, abandonando los procesos de combustión convencionales y la fisión nuclear. La explotación extensiva de las fuentes de energía, proponiéndose como alternativa el fomento del autoconsumo, que evite en la medida de lo posible la construcción de grandes infraestructuras de generación y distribución de energía eléctrica. La disminución de la demanda energética, mediante la mejora del rendimiento de los dispositivos eléctricos (electrodomésticos, lámparas, etc.) Reducir o eliminar el consumo energético innecesario. No se trata solo de consumir más eficientemente, sino de consumir menos, es decir, desarrollar una conciencia y una cultura del ahorro energético y condena del despilfarro.
La discusión energía alternativa/convencional no es una mera clasificación de las fuentes de energía, sino que representa un cambio que necesariamente tendrá que producirse durante este siglo. De hecho, el concepto «energía alternativa», es un poco anticuado. Nació hacia los años 70 del pasado siglo, cuando empezó a tenerse en cuenta la posibilidad de que las energías tradicionalmente usadas, energías de procedencia fósil, se agotasen en un plazo más o menos corto (idea especialmente extendida a partir de la publicación, en 1972, del informe al Club de Roma, Los límites del crecimiento) y era necesario encontrar alternativas más duraderas. Actualmente ya no se puede decir que sean una posibilidad alternativa: son una realidad y el uso de estas energías, por entonces casi quiméricas, se extiende por todo el mundo y forman parte de los medios de generación de energía normales. Aun así es importante reseñar que las energías alternativas, aun siendo renovables, son limitadas y, como cualquier otro recurso natural tienen un potencial máximo de explotación, lo que no quiere decir que se puedan agotar. Por tanto, incluso aunque se pueda realizar una transición a estas nuevas energías de forma suave y gradual, tampoco van a permitir continuar con el modelo económico actual basado en el crecimiento perpetuo. Por ello ha surgido el concepto de Desarrollo sostenible. 2017-2
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CUESTIONARIO 1. ¿Cómo lograría Ud. que el regulador mantenga la tensión a 230 V? (Señale todas las soluciones posibles) Para poder mantener constante el voltaje de un generador síncrono, ha de aumentarse la excitación (If), cuando aumenta la corriente en el inducido y cuando disminuye el factor de potencia. Esto no puede hacerse disponiendo bobinas en el arrollamiento serie, como en el caso de una dínamo, porque la corriente de la línea es alterna y no adecuada para fines de excitación. Esta corriente de excitación es suministrada por la excitatriz (dínamo shunt) y el voltaje del generador síncrono se regula variando la resistencia de un reóstato que está en serie con el campo de la excitatriz.
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En este caso mostramos el regulador de tensión que es una tarjeta electrónica que mediante una comparación de valores controla la corriente IDC que circula por la bobina de excitación. La desventaja que es que este control se da en un rango pequeño; ya que en las centrales eléctricas ante grandes variaciones de carga se producen grandes variaciones en la tensión hasta valores que están fuera del rango de operación del regulador. En este caso el control se realiza en forma manual. Esto es: cuando empieza a generar un grupo, inicialmente el control es manual hasta alcanzar un valor cercano al valor nominal y luego actúa el regulador automático.
2. SEÑALAR DE QUE PARÁMETROS DEPENDEN:
2.1 El tiempo de estabilización de respuesta. 2.2 El máximo error estático (o error estable)
Para controlar la tensión del generador síncrono, nos basamos en el criterio de conseguir primero el control sobre la corriente de excitación, como se muestra en la figura 12:
El tiempo de establecimiento: es el tiempo que demora la respuesta del sistema para estabilizarse dentro de un cierto porcentaje (aproximadamente 2%) de la amplitud de entrada. Dependen de: ➢ ➢
Figura 12: Control del generador síncrono controlando corriente de excitación
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Velocidad de respuesta del regulador. También depende de la resistencia, la inductancia de campo y armadura del generador DC.
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Sabemos que la excitatriz del generador que utilizamos en esta experiencia está constituida principalmente por un Generador de Corriente Continua en Derivación Auto excitado.
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muestra el diagrama de bloques de este proceso:
Por lo cual para poder determinar cómo influyen los parámetros en el tiempo de estabilización y en el máximo error estático de la respuesta, se debe comenzar haciendo un modelo respectivo del generador DC Teniendo presente asumir en todo momento que la velocidad angular aplicada a este generador es constante.
Después de haber modelado la excitación procedemos a describir el comportamiento del Generador Síncrono, es decir, encontrar su función de transferencia, para así poder incluirlo en el diagrama de bloques y función de transferencia de la corriente If. V ( p )
La ecuación dinámica del generador auto excitado, está dada por:
Wo.Lad.Ifg(p)
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Vfg(p) = (Rf g + Lf g P) If g(p) Dividiendo ambas ecuaciones tenemos
K r W0 r +W0 r If G(If )+W0 r If Gaf (If )=Vf g +(R a +La p)Ia
V ( p) Vfg ( p)
La ecuación de la tensión en el bobinado excitatriz es:
Wo. Lad . Ifg ( p)
2.( Rfg Lfg.P). Ifg ( p)
De este bloque podemos decir:
Vf g = (R f g + Lf g p) If g
V ( p) Vfg ( p)
Kfg
(1 Tfg.P).
La tensión en el inductor es: Reemplazando en la ecuación general y despreciando el efecto de la tensión remanente tenemos:
Vf = (R f + Lf p) If Con dichas ecuaciones modelaremos el comportamiento del generador de corriente continua, a continuación se
1 Tfg.P Wo.(G (if ) Gaf (if )). I ( f ) V ( ) ( Ra La.P). Ia Kfg
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Donde Ia = If + Ifg Ia
If If
De este resultado sacamos como conclusión que el tiempo de respuesta del sistema está definido por los parámetros de físicos del Generador Síncrono.
( Rf Lf .P) Rfg Lfg.P
Reemplazando tenemos: 1 Tg.P ( Rf ) ( Ra La.P).(1 Wo.(G(if ) Gaf (if )). I ( f ) V ( Kg Rfg
If (s).[Wo.Gaf (if ). ( Ra La.P).(1
Ess = Lim t s.E(s)
1 Tg.P ).] V (s).( ) Rfg Lfg .P Kg
De la ecuación general de transferencia tenemos
V ( s ) If ( s)
Ecc (1 Tg.S ).( Rfg Lfg.S )
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Máximo error estático: de la teoría de control sabemos que el error estático está definido de la siguiente ecuación.
( Rf Lf .P)
De la teoría de control sabemos que el tiempo de respuesta de un sistema está dado por las raíces de la ecuación característica. Para el sistema dado la ecuación característica está dada por:
Ecc S
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Kf Wo.Gaf .( Rfg Lfg.P).( Ra La.P) ( Ra La.S )( Rf Rfg ( Lfg Lfg ))S
(1 Tg.S ).( Rfg Lfg. p)
Llevando la ecuación a la forma:
Lfg Tg. Rfg Rfg ( ).S Tg. Lfg Tfg. Lfg
V ( s) If ( s)
Dónde:
G (s )
1 H ( s ).G ( s)
Identificando la ecuación de error de estado estacionario tenemos. Wn
E
Rfg
Tg. Lfg
Ess lim(t )
1 L f g R f g .T f g .( ) 2 R f g .T g . L f g
Lim tG(s)=Kg.[Wo (Gaf) Rfg – Ra (Rf+Rfg)] Lim tH(s) = Rfg
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Reemplazando tenemos:
e.Wo
Reemplazando tendríamos: Ts
Ifo . .s 1 H ( s).G( s) s
Donde el
Además, sabemos que para este tipo de sistemas podemos definir la respuesta como: Ts
1
Ess
4. Lfg Rfg
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Ifo
1 Kg.[Wo (Gaf) Rfg - Ra (Rf Rfg) ].Rfg
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De este resultado sacamos como conclusión que el error estático depende de la velocidad angular Wo, la resistencia del devanado de excitación Rfg, la resistencia de armadura y de campo del generador de corriente continua.
3. ¿Cómo lograría ud reducir las oscilasciones en la tensión producidos a consecuencia de un cambio brusco de carga? El cambio brusco de carga trae consigo efectos no deseados en la operación del Generador Síncrono como lo son las oscilaciones en la tensión. Los problemas de tensión se corrigen localmente, ya que las medidas a llevar a cabo tienen alcance fundamentalmente local. Cada generador de una central mantiene la
4. ¿Cómo modificaría Ud. la instalación para mejorar la regulación automática de frecuencia? La frecuencia y la velocidad de una maquina síncrona son magnitudes proporcionales, esto se muestra con la relación siguiente relación sincronismo: = ∗
tensión local “sin información” del
sistema en su conjunto. Entonces el control de la tensión actúa sobre la corriente de campo del generador síncrono mediante el AVR y logra mantener el valor de la tensión dentro del rango normado. La calibración correcta de cada parte del AVR lograría reducir las variaciones en la tensión que entrega el generador síncrono.
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Por lo tanto el problema de regulación de frecuencia se traduce al de la regulación de velocidad del rotor del alternador, por lo tanto el enfoque será la velocidad o el ángulo del rotor de la máquina. El conjunto eje-turbina de un generador síncrono gira sometido a dos pares opuestos: el par mecánico aportado desde la turbina tiende a acelerar el eje, mientras el par electromagnético tiende a frenarlo. La ecuación básica de este movimiento es:
+
= ( − )
Donde es el momento de inercia y es el Angulo del rotor.
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Cuando se produce una variación de carga en una máquina motriz se modifica también el par resistente entonces la velocidad variará. Si aumenta el par resistente, disminuye la velocidad, y viceversa. Lo cual quiere decir que el funcionamiento del generador sería inestable ya que con poca carga tendría tendencia a embalarse y con mucha carga la tendencia sería a pararse. Algunas cargas demandan una potencia independiente de la frecuencia de alimentación, por ejemplo cargas resistivas destinadas a calentamiento o lámparas incandescentes para iluminación. Otras cargas, por el contrario, responden a un incremento de la frecuencia aumentando la demanda, la relación entre el
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angular de generación, de tal manera de mantener constante la frecuencia de generación y del sistema al cual está conectado, y además controla la potencia activa a una determinada frecuencia. La potencia activa es producida por la potencia mecánica (energía cinética) suministrada al eje. En el laboratorio se puede observar que la regulación de esta velocidad se hace por medio de una perilla que está controlando una resistencia variable de campo, la cual está unida al Generador de Corriente Continua Shunt Auto excitado, y esta alimenta al motor primo de la energía necesaria para su funcionamiento; esta operación se hace manualmente, guiado por el instrumento de medida (hasta 60 Hz, frecuencia de la Red).
incremento de demanda total ∆Pe y el
incremento de frecuencia en un sistema puede expresarse como ∆ = ∆ + ∆
donde ∆ es el incremento de potencia independiente de la frecuencia, y D es la constante que relaciona la variación de frecuencia con el incremento de potencia debido a ella.
Para regular la frecuencia de modo automático se debe implementar un PID.
Este es el modo natural de establecer una frecuencia estable (no regulada), El regulador de velocidad (frecuencia), debe ser diseñado para que responda a las variaciones del número de revoluciones del eje del generador. Este dispositivo es el encargado de mantener constante la velocidad 2017-2
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velocidad de directamente.
Un controlador PID es un mecanismo de control por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. El modo de operación del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso de regulación de frecuencia. CONCLUSIONES El modelamiento de los componentes de un sistema de excitación y regulación de tensión permite conocer en qué influye cada parámetro de los componentes del sistema en la respuesta dinámica. Como se indicó a lo largo de este informe, no toda la experiencia fue realizada, por lo su desarrollo es básicamente teórico. Por ejemplo, no se observó cómo actúan los reguladores de tensión ni de velocidad porque no se contaba con estos sistemas, en todo caso la regulación se hacía en forma manual, manipulando el campo y la
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la
máquina
prima
A esto se suma el hecho de no contar con el motor Schrage, por que no se pudo analizar la variación de la tensión cuando se conecta una carga reactiva (en este caso inductiva), que significaba una caída en la magnitud de la tensión debido al consumo de reactivos, lo que hubiese implicado la actuación del sistema automático de regulación de tensión para estabilizar este valor y llevarlo al valor nominal (en teoría). Lo que si se observó, pero ligeramente, fue el comportamiento de la frecuencia cuando se conectaba la carga resistiva debido a que era de poca magnitud. En cuando a la tensión, está casi no mostraba mucha variación. Como conclusiones de este laboratorio se puede señalar lo siguiente: Cuando se produce el ingreso de nuevas cargas a un sistema de generación (que podría ser un sistema de potencia por ejemplo), produce perturbaciones que afectan tanto la tensión en bornes como la frecuencia de la misma, que podría implicar pérdida de sincronismo si se encuentra dentro de un sistema de potencia y/o, dependiendo del caso, una caída de tensión en el punto de entrega a la carga. Es en estos casos que actúan los reguladores automáticos, de tensión y de velocidad, dependiendo del tipo de perturbación que se presente. Para los casos analizados, si se trata de una carga resistiva, se produce variación de velocidad (frecuencia) y entra a trabajar el regulador de velocidad, y para el caso de una carga reactiva entra 2017-2
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a trabajar el regulador de tensión.
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de las constantes de tiempo del sistema de excitación y regulación tensión.
El tiempo de estabilización del generador dependerá de la constante de inercia del generador (energía cinética que puede almacenar en el rotor), de la característica de la carga (como varia ante un cambio de frecuencia), de la frecuencia inicial y del cambio en la carga al que el generador esta alimentando (PID), mientras que el error estático depende de la velocidad angular Wo, la resistencia del devanado de excitación Rfg, la resistencia de armadura y de campo del generador de corriente continua.
Para disminuir las oscilaciones de tensión del generador síncrono, se debe implementar un estabilizador (un transformador) que conecte la salida del excitador con la entrada del regulador. El control derivativo ejerce una función amortiguante sobre la respuesta al sistema y permite mejorar la respuesta dinámica del sistema. El controlador PID es una buena opción para controlar fácilmente la regulación de la frecuencia en una central eléctrica, debido a su fácil diseño.
En un sistema de potencia como el peruano a cada instante se encuentran ingresando y saliendo cargas, pero depende de la magnitud de estas que provoquen perturbaciones en los generadores del sistema. Sólo en el caso de ingreso y salida de cargas de magnitud considerable, fallas producidas en el sistema, o maniobras bruscas deben entrar a actuar los mecanismos de control.
REFERENCIAS
[1] Muhamad H. Rashid, “Power Electronics” 2015, pp. 91. [2] Hadi Saadat, “Power System Analysis”, Mc Graw Hill, Segunda Edición, 2004. [3] K. Ogata, “Ingeniería de Control [4]
Moderna”, Pearson, Quinta Edición, 2010. Prabha Kundur, “Power System Stability and Control”, Mc Graw Hill, Primera
Edición 1993. [5] «La tecnología revolucionará la producción eléctrica en 10 años». [6] Bullis, Kevin (23 de junio de 2006). «Large-Scale, Cheap Solar Electricity» (en inglés). Technologyreview.com. [7] «Energías Renovables, el periodismo de las energías limpias». [8] Véase por ejemplo, Francis W. Sears, Electricidad y magnetismo, Editorial Aguilar, Madrid (España), 1958, pp. 142155.
El error en estado estable depende de las ganancias de los componentes del sistema de excitación y regulación de tensión. Para regular el error en estado estable se debe accionar el amplificador, ya que a más ganancia, menor será el error.
[9] Kuznetsov: 'Fundamentos de Electrotecnia,' Editorial Mir [10] Kasatkin - Perekalin : 'Curso de Electrotecnia,' Editorial Cartago
Con respecto al anterior punto, las simulaciones nos muestran que incrementar a grandes cantidades la ganancia del amplificador, torna al sistema más lento y con un gran sobrepaso. Esto último se traduce en el daño del aislamiento del generador.
[11] Libro de Consulta para Evaluación Ambiental (Volumen I; II y III). Trabajos Técnicos del Departamento de Medio Ambiente del Banco Mundial
El tiempo de estabilización depende 2017-2
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[12] http://www.idae.es/index.php/mod.pags/ mem.detalle/idpag.513/relcategoria.3742 /relmenu.165 [13] http://www.renewableenergyworld.com/r ea/news/article/2011/07/eia-reportrenewables-surpass-nuclear-output
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ANEXO
Operación con carga inductiva:
Ángulo sin carga 0° 20° (horario) 20° (anti horario)
Tensión Corriente Frecuencia (V) (A) (Hz) pico estable pico estable 220 0 0 60 60 220 33.1 6.7 54.8 58.3 220 35.1 7.3 54.4 58.5 220
21.5
6.49
55.8
Operación con carga Resistiva:
Resistencia
R-S 33
S-T 25
R-T 26
Tensión (V) Corriente (A) Frecuencia (Hz) 203 10.48 56.7
59.1