Prf. perdomo Monografia

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INSTITUTO SUPERIOR POLITCNICO JOSE ANTONIO ECHEVERRA (ISPJAE)

CENTRO DE INVESTIGACIONES Y PRUEBAS ELECTROENERGTICAS (CIPEL)

CONVENIO CUBA - VENEZUELA

COGENERACIN EN EMPRESAS DE BAJO CONSUMO ENERGTICO EN VENEZUELATRABAULO DE MASTEEN INGENIERA Monografa en opcin al Ttulo Acadmico de Mster en:PROGRAMA DE MAESTRIA EN INGENIERA ELCTRICA

Autor: Ing. Jorge PerdomoJorgeperdomo52@hotmail.com

Tutor: Dr. Santiago Alfredo Dorrbercker Drakedorr0753@gmail.com

Enero 2014MONOGRAFA COGENERACIN EN EMPRESAS DE BAJO CONSUMO ENERGTICO EN VENEZUELACOGENERATION IN COMPANIES LOW CONSUMPTION ENERGY IN VENEZUELA

Autor: Ing. Jorge Perdomo

ResumenEl propsito de la presente monografa es el de sealar las principales caractersticas del elemento principal en un sistema de cogeneracin como lo es el generador, as como los atributos del sistema de sincronizacin y las protecciones a tomar en cuenta para asegurar el buen funcionamiento del mismo.

PALABRAS CLAVES: cogeneracin, generador, sincronizacin, protecciones.

Abstract: The purpose of this paper is to point out the main features of the main element in a cogeneration system is the generator as well as the attributes of the system synchronization and protection to consider to ensure proper operation.

KEY WORDS: cogeneration, generator, synchronization, protections.

TEMATICA: APLICACIONES INDUSTRIALESINDICEI. LA IMPORTANCIA DE LOS GENERADORES EN LA INDUSTRIA ELCTRICA3II.LOS MOTORES Y GENERADORES ELCTRICOS3Generadores de Corriente Alterna (Alternadores)3III.CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRNICO5IV.GENERADOR SINCRNICO BSICO7V.GENERACIN DISTRIBUIDA7VI.CONEXIN DE GENERADORES A UN SISTEMA DE POTENCIA8VII.MODELO DE CORTO CIRCUITO DEL GENERADOR SINCRNICO9VIII.PROTECCIN DE GENERADORES SINCRNICOS13IX.EL FENMENO DE ENERGIZACIN INADVERTIDA15X.SINCRONIZACIN DE UN GENERADOR16XI.INSPECCIN Y MANTENIMIENTO DEL GENERADOR ELCTRICO21XII.BIBLIOGRAFIA27XIII.DATOS DEL AUTOR29

LA IMPORTANCIA DE LOS GENERADORES EN LA INDUSTRIA ELCTRICALa mayor parte de los equipos elctricos requieren de grandes cantidades de corriente y de tensiones altas para poder funcionar. Por ejemplo, las luces elctricas y los motores, requieren tensiones e intensidades de corriente mayores que las que puede suministrar una batera comn para su normal funcionamiento. Por esto se requieren fuentes de electricidad que no sean bateras para abastecer grandes cantidades de corriente. Estas grandes cantidades de corriente la suministran las mquinas elctricas rotativas que reciben el nombre de "generadores de potencia". Los generadores de potencia pueden suministrar corriente alterna. El generador puede disearse para altas o bajas corrientes. Si faltara la energa elctrica que producen los generadores, el mundo actual quedara prcticamente paralizado. Si miramos a nuestro alrededor nos daremos cuenta de la importancia de la corriente elctrica que producen los generadores. En nuestro mundo moderno, el sistema de alumbrado, nuestras fbricas y toda nuestra vida industrial est accionado por la corriente elctrica que producen los generadores. Los generadores son tan importantes en la vida moderna, como el corazn en la vida de nuestro organismo [1].

LOS MOTORES Y GENERADORES ELCTRICOSSon un grupo de mquinas que se utilizan para convertir la energa mecnica en elctrica, o a la inversa, con medios electromagnticos. A una mquina que convierte la energa mecnica en elctrica se le denomina generador, alternador o dnamo, y a una mquina que convierte la energa elctrica en mecnica se le denomina motor [2].

Generadores de Corriente Alterna (Alternadores)En su forma ms simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en slo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura estn sacados a los anillos colectores slidos sin segmentos del rbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua ms que con el generador en s. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo mquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del nmero de polos y el nmero de revoluciones por segundo de la armadura [2].

Velocidad de Rotacin de un Generador SincrnicoEl rotor de un generador sincrnico se compone de un electroimn al cual se le suministra una corriente continua. El campo magntico del rotor se mueve segn sea la direccin en que se haga girar dicho rotor. Ahora, la velocidad de rotacin de los campos magnticos de la mquina se relaciona con la frecuencia elctrica del estator por medio de la siguiente ecuacin:

En donde,fe = frecuencia elctrica, Hz.nm= velocidad mecnica del campo magntico, rpm (=velocidad del rotor de las mquinas sincrnicas).P = nmero de polos.Puesto que el rotor gira a la misma velocidad del campo magntico, esta ecuacin relaciona la velocidad de la rotacin del rotor con la frecuencia elctrica resultante. La potencia elctrica se genera a 50 o 60 Hz, as que el generador debe girar a una velocidad fija que depende del nmero de polos de la mquina [2].

Voltaje Generado Internamente en un Generador SincrnicoEl voltaje generado (EA) depende del flujo () de la mquina, de su frecuencia o velocidad de rotacin () y de su construccin (K). Esta ecuacin se escribe algunas veces en una forma ms sencilla, que hace nfasis en las cantidades que se dispone durante su funcionamiento [2].

Donde K es una constante que representa la construccin de la mquina, si se expresa en radianes elctricos por segundo, entonces:

En donde,Np = Nmero total de espiras de la fase.kp = Factor de paso.kd = Factor de distribucin.El voltaje interno inducido EA es directamente proporcional al flujo y a la velocidad, pero el flujo en s depende de la corriente que fluye en el circuito de campo del rotor. La corriente de campo (If) se relaciona con el flujo () en la forma que se ve en la Figura N 1(a). Puesto que EA es directamente proporcional al flujo, el voltaje generado internamente EA se relaciona con la corriente de campo, tal como se muestra en la Figura N 1(b). Esta grafica se llama curva de magnetizacin o la caracterstica de vaco de la mquina [2].

Figura N 1. a) Dibujo del flujo versus la corriente de campo de un generador sincrnicob) Curva de magnetizacin de un generador sincrnicoFuente: Quintero, M. 2CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRNICOEl circuito equivalente completo de un generador se muestra en la Figura N 2, la cual ilustra una fuente de potencia de cc durante la alimentacin del circuito de campo del rotor, representada por la inductancia de la bobina y su resistencia en serie. Hay una resistencia graduable Raj, en serie con RF, que controla el flujo de la corriente de campo. El resto del circuito equivalente consiste en las representaciones de cada fase. Cada fase tiene un voltaje generado internamente con una inductancia en serie XS (que consiste en la suma de la reactancia del inducido y la auto inductancia de la bobina) y una resistencia en serie RA. Los voltajes y corrientes de las tres fases estn desfasados en ngulos de 120, pero en lo dems, las tres fases son idnticas [2].Estas tres fases pueden conectarse en Y o en . Si se conectaran en Y, la tensin en los bornes VT se relaciona con el voltaje de fase V por:

Si se conectan en , entonces:

Figura N 2. Circuito Equivalente Completo de un Generador Sincrnico Trifsico Fuente: IEEE. Quintero, M. 2GENERADOR SINCRNICO BSICOUn generador sincrnico convierte energa termomecnica en energa elctrica. La potencia mecnica del impulsor gira la flecha del generador en el cual el campo de Corriente Continua (C.D.) est instalado. En la Figura N 3 se ilustra una mquina simple [13].

Figura N 3. Generador Sincrnico BsicoFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13].

La energa del impulsor puede ser obtenida de quemar combustibles fsiles tales como carbn, petrleo o gas natural. El vapor producido gira la flecha del generador (rotor) a velocidades tpicas de 1800 3600 RPM. La conversin de la energa del vapor a rotacin mecnica es hecha en la turbina. En plantas nucleares, el uranio, a travs del proceso de fusin, es convertido en calor, el cual produce vapor. El vapor es forzado a travs de la turbina de vapor para rotar la flecha del generador. La energa del impulsor puede tambin ser obtenida por cada o movimiento del agua. Los generadores hidroelctricos giran ms lento (alrededor de 100-300 RPM) que las turbinas de vapor [13].

GENERACIN DISTRIBUIDASegn [2], actualmente la definicin de Generacin Distribuida est en controversia ya que varios autores la definen de maneras distintas, entre los ms destacados estn: Fuente de potencia elctrica conectada directamente a la red de distribucin o en el lado del consumidor. Sistemas que producen por lo general energa en forma DC o AC de frecuencia variable, por lo que requieren una interface con la red elctrica. Produccin de electricidad con instalaciones que son suficientemente pequeas en relacin con las grandes centrales de generacin, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema elctrico. Colocacin de pequeas unidades generadoras cerca del consumidor, donde el valor obtenido es mayor que el valor que el servicio recibido de la red. Todas aquellas fuentes de energa elctrica que se conectan en las redes de distribucin elctrica. Produccin de energa elctrica a travs de instalaciones de potencia reducida, normalmente por debajo de 1000 kW.Dicho esto, se puede definir Generacin Distribuida como generacin o almacenamiento de energa elctrica a pequea escala. La cual permite produ