PRÁCTICA 2

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA E.T.S. Ingenieros Industriales Universidad Politcnica de Madrid

Laboratorio de Mquinas Elctricas.

MquinasElctricasI

PRCTICA2

ACOPLAMIENTOAREDDEGENERADORESSNCRONOS


Laboratorio de Mquinas Elctricas. Pgina 1 de 7

NDICE PROCEDIMIENTO:

1. ALCANCEDELAPRCTICA2. LASMQUINASSNCRONAS3. ACOPLAMIENTO A LA RED DE POTENCIA INFINITA DE UN GENERADOR

SNCRONO4. SIMULADORDECENTRALESELCTRICAS.5. MANIOBRASENLASUBESTACIN.

PROTOCOLO DE ENSAYOS (rellenar y entregar como memoria): 6. PLACADECARACTERSTICASDELASMQUINASUTILIZADAS7. CONTROLDELACENTRALTRABAJANDOENISLA8. CONTROLDELACENTRALCONECTADAARED9. MANIOBRASENLASUBESTACINPARACONECTARELGRUPOALARED10. MANIOBRASPARAUTILIZARUNODE LOS SECCIONADORESDEBYPASSEN LA

SUBESTACIN.

1 ALCANCEDELAPRCTICA.En esta prctica se presenta el proceso de acoplamiento de un generador sncrono a una red de potencia infinita, as como la regulacin del mismo, necesaria para establecer los niveles deseados en la potencia activa y reactiva que el generador inyecta en la red. Inicialmente, se describe brevemente el principio de funcionamiento de la mquina sncrona, sus ventajas para ser utilizada como generador, la regulacin de la mquina para proporcionar unas ciertas consignas de potencia activa y reactiva demandadas desde la red y los lmites de funcionamiento de la mquina. A continuacin se estudia la secuencia de conexin de un generador sncrono a la red y las consideraciones que se deben tener en cuenta para realizarla. Por ltimo, y mediante el Simulador de Centrales Elctricas existente en la Unidad Docente de Mquinas Elctricas, se describe y realiza el proceso de acoplamiento del generador a la red en una central elctrica real, as como algunas de las maniobras que se pueden realizar en la subestacin elctrica de dicha central.



2 LASMQUINASSNCRONASLas mquinas sncronas han sido utilizadas convencionalmente en las Centrales de Generacin Elctrica debido a una serie de ventajas. El factor decisivo de su utilizacin en las grandes centrales es su capacidad de suministrar tanto potencia activa como potencia reactiva, regulables independientemente. Para ello, cuentan con un devanado de excitacin que proporciona el flujo magntico a la mquina, con lo cual se puede controlar la potencia reactiva, absorbindola o cedindola, pudiendo cubrir de esta forma todas las necesidades de potencia, tanto activa como reactiva, solicitadas por la red. Este devanado, al girar con el rotor, es el encargado de crear el campo senoidal y giratorio en la mquina. El acoplamiento entre este campo y el inducido en el estator permite transformar la potencia mecnica en elctrica. La presencia del devanado de excitacin da lugar a unas mquinas costosas y complejas, que por lo general, se han utilizado en aplicaciones de potencia muy elevada y principalmente como generadores. Adems, la rigidez de su caracterstica mecnica y la carencia de par de arranque, las hace poco adecuadas para ser utilizadas como motor si no se utiliza un devanado amortiguador o algn sistema de arranque adicional. No obstante, la proliferacin en los aos 90 de las mquinas de imanes permanentes ha abierto una nueva lnea de utilizacin de las mquinas sncronas en gran cantidad de aplicaciones, no slo funcionando como generador sino tambin como motor y en un rango de potencias que va desde los pocos vatios hasta el orden de megavatios.

3 ACOPLAMIENTOALAREDDEPOTENCIAINFINITADEUNGENERADORSNCRONO.

Es bien conocido el hecho de que una mquina elctrica es un dispositivo que transforma energa elctrica en energa mecnica o viceversa. Entendida como un generador, la mquina es capaz de transformar la potencia mecnica que le proporciona una turbina (hidrulica, de vapor, de gas, elica, etc.) a travs del eje, y mediante el acoplamiento de campos magnticos de rotor y estator, en potencia elctrica que entrega a la red. Un generador sncrono movido por una turbina, del tipo que sea, genera una tensin con forma de onda senoidal, cuya frecuencia est ligada a la velocidad de giro de la mquina (rpm) mediante la siguiente ecuacin

f = p n160 o, lo que es lo mismo, n1 = 60 f

p .

Mientras no se encuentre conectada a la red, la frecuencia de salida vendr determinada por la velocidad de giro de la mquina, que a su vez se fija mediante el equilibrio entre el par motor (par de la turbina) y el par resistente (par del generador). Por tanto, controlando el par de la turbina se puede ajustar la velocidad del grupo hasta que la frecuencia de las ondas de tensin generada sea igual que la de la red (50 Hz).



Es preciso tener en cuenta que la velocidad de giro va a modificar la tensin de salida para una excitacin constante, por lo que es necesario el ajuste del sistema de excitacin para que, variando el flujo magntico, se pueda mantener controlado el mdulo de la tensin. El proceso de conexin de un generador a la red necesita de una serie de requisitos previos:

1. Que el mdulo de las tensiones de salida del generador sea igual que el mdulo de las tensiones de la red a la que se va a conectar. Esto se comprobar con un doble voltmetro que mida la tensin en ambos puntos. Se modificar la excitacin del generador para variar la tensin de salida del generador cuando est desconectado de la red, hasta que sea igual a la de la red.

2. Que la frecuencia sea la misma en el generador y en la red. Se modificar el par de la turbina para conseguir acelerar el generador hasta que las ondas de tensin de salida tengan una frecuencia igual a las de la red. El valor de la frecuencia generada se comprobar a travs de un doble frecuencmetro, que medir a la vez la frecuencia de los dos sistemas trifsicos de tensin que se desean acoplar: las tensiones generadas por la Mquina Sncrona, y las tensiones de la red.

3. La secuencia de fases del generador y la de la red deben ser iguales. Se comprobar esta condicin con un medidor de secuencia de fases.

4. En el momento de cerrar el contactor que une el generador a la red, la fase de las ondas de red y generador debe ser la misma, para evitar un cortocircuito. Para ello se cerrar el contactor cuando un dispositivo denominado sincronoscopio, que indica el desfase entre las ondas de fases correspondientes en generador y red, indique desfase cero.

Cuando el generador est desconectado de la red es posible modificar tanto la tensin de salida del generador como la velocidad del mismo, modificando la excitacin y el par de la turbina respectivamente. Igualmente, si se alimenta una carga aislada, el par de la turbina permitir alcanzar la velocidad adecuada mediante el equilibrio entre la potencia consumida por la carga y la generada, mientras que la excitacin permitir ajustar la tensin de alimentacin a dicha carga. Desde el momento en que se realiza la maniobra de acoplamiento, el generador queda unido a una red considerada de potencia infinita, es decir, con una potencia mucho mayor que la potencia del propio generador. La red impondr, por tanto, un valor constante en la tensin y frecuencia existente en bornes del generador, por lo que las operaciones realizadas en el mismo no van a poder modificar ni la tensin ni la frecuencia de salida. As, dado que la velocidad del generador se va a mantener constante al serlo la frecuencia, los trminos de potencia y par sern absolutamente proporcionales. A partir de este momento, el generador se opera de forma que se suministre a la red las consignas de potencia activa y reactiva demandadas por el operador del sistema elctrico al que se ha conectado, ambas regulables a voluntad.



La potencia activa suministrada a la red por un generador est totalmente relacionada con la potencia mecnica que le est entregando la turbina en cada instante. Aumentando el par que proporciona la turbina, a travs de una variacin en la admisin que d lugar a un incremento del paso del fluido, de forma que se produzca un par mecnico mayor, se consigue un aumento en la potencia activa de salida del generador. Si la excitacin del generador se mantiene constante durante este proceso, un aumento de potencia mecnica da lugar no slo a un aumento de la potencia activa sino tambin a una disminucin de la potencia reactiva inyectada a la red. Por otro lado, manteniendo constante el par de la turbina, un aumento de la excitacin del generador, da lugar a un aumento en la potencia reactiva que se est suministrando a la red, mantenindose constante el nivel de potencia activa suministrada. De esta forma y en resumen, el sistema de control del GENERADOR tiene DOS VARIABLES PARA MANIPULAR: la EXCITACIN DEL GENERADOR que es responsable de la POTENCIA REACTIVA y el PAR DE LA TURBINA que es responsable de la POTENCIA ACTIVA. Existen algunos lmites de funcionamiento que se deben considerar. Los devanados son capaces de soportar corrientes limitadas, cuyos valores mximos son las intensidades asignadas de excitacin y de inducido. Adems, el generador es capaz de transformar en potencia elctrica una cantidad limitada de potencia mecnica, por tanto hay que vigilar de alguna forma la potencia mecnica que est siendo suministrada por la turbina. Si se llegase a un punto en el que la potencia aportada por la turbina es superior a la potencia que el generador es capaz de suministrar a la red, la diferencia entre par de la turbina y par del generador hace que la mquina se acelere, perdiendo el sincronismo, lo que puede dar lugar a la rotura del eje debida a los pares pulsantes que se producen. Esta misma situacin se produce si se disminuye excesivamente la excitacin.

4 SIMULADORDECENTRALESELCTRICAS.Se visitar el Laboratorio de Simulacin de Centrales Elctricas del Departamento de Ingeniera Elctrica de la ETSII-UPM, ideado para la formacin e instruccin de ingenieros y personal de operacin de Centrales Elctricas. En este laboratorio actualmente se dispone del cuadro de operacin que representa a la subestacin elctrica de salida de la Central Trmica de Carbn de Meirama. Se trata de una subestacin con doble juego de barras y bypass, en la que se describirn los elementos que aparecen, cmo se operan los mismos, y se realizar algn tipo de maniobra para entender el funcionamiento de la misma. En el cuadro de operacin se dispone adems de un equipo de sincronizacin, que va a permitir acoplar a la red una mquina sncrona.



Elementos de la Subestacin: Interruptor: Un interruptor es un dispositivo con capacidad de corte de la corriente elctrica, con una actuacin muy rpida, cuyo funcionamiento se basa en la apertura de unos contactos y la posterior extincin del arco elctrico que inevitablemente se produce entre dichos contactos. El apagado de dicho arco elctrico se puede realizar mediante la inyeccin de aire comprimido o mediante un soplado magntico, que lleva el arco a una cmara de extincin, donde se alarga la longitud del mismo y se favorece de des-ionizacin del medio en el que se ha formado. Es un elemento complejo y de alta responsabilidad, que necesita de un mantenimiento muy frecuente adems de ser rearmado cada vez que acta. Es el primero que se abre (corta corriente) y el ltimo que se cierra en una maniobra de la subestacin. El interruptor se presenta en el esquema unifilar de la subestacin mediante un cuadrado. Seccionador: Un seccionador es un dispositivo que no tiene capacidad de corte y nicamente se utiliza para aislar zonas en tensin. La respuesta de dicho elemento a la seal de operacin es lenta porque conlleva la apertura o cierre de unos contactos motorizados. Se colocan siempre en ambos extremos de un interruptor para poder dejarlo aislado durante las tareas de mantenimiento del mismo. En paralelo con cada interruptor puede existir un seccionador conocido como seccionador de bypass, destinado a permitir el paso de potencia por la lnea en la que est colocado el interruptor, aunque ste se encuentre en mantenimiento. En el esquema unifilar de la subestacin se representa mediante un crculo. La figura siguiente presenta el esquema unifilar de la subestacin que se describir en la prctica.



5 MANIOBRASENLASUBESTACIN.En la subestacin se realizarn las siguientes maniobras para entender el funcionamiento de la misma: 1.- La preparacin de la subestacin para el acoplamiento de la misma a la red. Maniobras de arranque desde una parada fra. 2.- Maniobra de acoplamiento del grupo generador a la red. 3.- Puesta en mantenimiento de un interruptor y reactivacin del servicio en el mismo. 4.- Cambio del juego de barras en servicio.

6 PLACADECARACTERSTICASDELALTERNADOR



8.NORMASDESEGURIDADPARATRABAJARENELLABORATORIODEMQUINAS

ELCTRICAS 1. No realizar montajes bajo tensin (La tensin en el laboratorio es 400V/230 V). Todo conductor debe considerarse, en principio, en tensin hasta que no se verifique lo contrario.

2. Se comprobar que las fuentes de alimentacin estn cortadas (y con el regulador a cero) y que no hay tensin en ningn equipo sobre el que se va a trabajar.

3. Una vez realizado y repasado el montaje se avisar al profesor encargado de la prctica para revise la instalacin, y slo despus de ser verificado por el profesor se proceder a dar tensin.

4. Cuando se deba realizar alguna modificacin en el montaje de la prctica lo primero ser apagar todas las fuentes de alimentacin relacionadas con la instalacin (y con el regulador a cero) y se proceder de nuevo como se indica en los puntos 2 y 3.

5. No trabajar con ropa que pueda ocasionar accidentes (abrigos, gabardinas o en general elementos sueltos que puedan engancharse en las partes mviles de las mquinas). La misma recomendacin vale para pelo largo, medallas, colgantes, corbatas, etc...

6. No acercarse a las partes giratorias que no estn debidamente protegidas

7. Utilizar, a ser posible, calzado con suela de goma

8. No trabajar con calzado o manos hmedas

9. No dejar nunca puntas, o bornes de cables, al aire sin aislamiento, y comprobar que las conexiones estn perfectamente afianzadas. No unir distintos cables para obtener uno ms largo. Emplear directamente el cable con longitud adecuada.

10. No desconectar los circuitos inductivos repentinamente, ya que pueden provocar averas (por ejemplo, circuitos de excitacin de mquinas rotativas; podran averiar los circuitos inducidos).

11. Al finalizar cada prctica se deber recoger ordenadamente (despus de comprobar que no hay tensin) el material empleado para garantizar la limpieza y el cuidado de las instalaciones, lo que redundar en la seguridad de las mismas.

12. En caso de accidente se deber interrumpir inmediatamente el suministro de corriente (pulsar la seta roja de emergencia situada en cada banco de ensayo) y seguir las pautas indicadas en los grficos de atencin al accidentado.



MQUINAS ELCTRICAS I. PRCTICA SOBRE ACOPLAMIENTO A RED DE GENERADORES SNCRONOS PROTOCOLO DE ENSAYOS (imprimir a doble cara y rellenar a mano para entregar como memoria)

N MAT NOMBRE APELLIDOS Grupo CLASE Grupo

Practicas

7 PLACADECARACTERSTICASDELASMQUINASUTILIZADASTipo de mquina: Conexin: PN: UN: IN: nN: fN: cosN: N: Otros datos de inters:



8 CONTROLDELACENTRALTRABAJANDOENISLADescribir detalladamente el procedimiento que se utiliza para regular la tensin y la frecuencia de salida de un generador sncrono en vaco, desconectado de la red elctrica. Ejemplo de aplicacin: Si la mquina se encuentra generando 200 kV a 40 Hz, dnde y cmo se debe actuar en su regulacin para que genere tensin a 220 kV y 50 Hz?



9 CONTROLDELACENTRALCONECTADAAREDDescribir el procedimiento que se utiliza para regular la potencia activa y la potencia reactiva de salida de un generador sncrono conectado a una red elctrica de potencia infinita. Ejemplo de aplicacin: Si la mquina genera 50 MW y 50 Mvar , dnde y cmo se debe actuar en su regulacin para que inyecte a la red 150 MW y 50 Mvar? Dibujar el diagrama fasorial correspondiente a estos dos puntos de trabajo.



10 MANIOBRASENLASUBESTACINPARACONECTARELGRUPOALARED.

Indicar en un unifilar de la subestacin el orden de maniobras a realizar para conectar el generador a la red, y para desconectarlo.



11 MANIOBRAS PARAUTILIZARUNODE LOS SECCIONADORESDE BYPASSENLASUBESTACIN.

Indicar en un unifilar la situacin final (abiertos-cerrados) de los seccionadores e interruptores suponiendo en reparacin el interruptor de la lnea 1.

PRÁCTICA 2

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