x. Sistemas de Excitaci�n Est�tica de Generadores s�ncronos.pdf

7/30/2019 x. Sistemas de Excitacin Esttica de Generadores sncronos.pdf

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Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Elctrica

IE 0502 Proyecto Elctrico

Sistemas de Excitacin Esttica de GeneradoresSincrnicos.

Por:

Fabin Emerson Cubillos Snchez


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IE-0502 Sistemas de Excitacin Esttica de Generadores Sincrnicos

Diciembre del 2004

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Diciembre del 2004

Sistemas de Excitacin Esttica de Generadores

Sincrnicos.

Por:

Fabin Emerson Cubillos Snchez

Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica

de la Facultad de Ingenierade la Universidad de Costa Rica

como requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

___________________

Ing. Emilio Alpzar Villegas M.sc.

Profesor Gua

___________________ ___________________

Ing. Franklin Chinchilla Dr. Ing. Juan Ramn Rodrguez Lic.

Profesor Lector Profesor Lector


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DEDICATORIA

A mis Padres y a mi hijo, a quienes quiero y admiro.


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RECONOCIMIENTOS

A todos los empleados de la Ca. Nacional de Fuerza y Luz, en especial al personal

del Departamento Sistemas de Potencia por la disposicin, paciencia y su don de

gente, GRACIAS.


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NDICE GENERAL

NDICE DE FIGURAS.........................................................................................vii

NDICE DE TABLAS..........................................................................................viii

NOMENCLATURA...............................................................................................ix

RESUMEN ...............................................................................................................x

CAPTULO 1: Introduccin ..................................................................................1

1.1 Objetivos ......................................................................................................................... 2

1.1.1 Objetivos especficos .............................................................................................. 2

1.2 Metodologa .................................................................................................................... 3

CAPTULO 2: Desarrollo terico..........................................................................4

2.1 Generacin elctrica........................................................................................................ 4

2.2 Generalidades del Generador Sincrnico........................................................................ 5

2.3 Sistemas de excitacin. ................................................................................................... 82.4 Tipos de Excitadoras. .................................................................................................... 11

2.4.1 Excitadoras Rotativas............................................................................................ 12

2.4.2 Excitadoras Estticas............................................................................................. 13

CAPTULO 3: Sistema de Excitacin Esttica. .................................................14

3.1 Modelo del Sistema de Excitacin................................................................................ 15

3.1.1 Elementos que conforman el Sistema de Excitacin Esttica............................... 16

3.1.2 Disposicin fsica de los elementos que conforman el SEE. ................................ 173.2 Funcionamiento del Sistema de Excitacin Esttica..................................................... 18

3.2.1 Transformador de excitacin................................................................................. 18

3.2.2 Transformadores de medicin............................................................................... 183.2.3 Chasis de control................................................................................................... 19

3.2.3.1 Funcin de cebado o arranque............................................................................... 19

3.2.3.2 Funcin de sincronizacin y generacin de las seales de disparo....................... 203.2.3.3 Funcin del regulador automtico de voltaje AVR............................................... 203.2.4 Chasis de rectificacin o excitatriz. ...................................................................... 21

3.2.5 Panel de control manual........................................................................................ 21

3.2.6 Ajustadores electrnicos del voltaje de referencia................................................ 223.2.7 Dispositivos electrnicos de control y proteccin. ............................................... 23


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3.3 Estabilidad del Sistema de Excitacin. ......................................................................... 233.3.1 Modelo matemtico del SEE................................................................................. 26

3.3.2 Factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema generador. ................. 27

3.3.2.1 La ganancia. .......................................................................................................... 273.3.2.2 La red de estabilidad. ............................................................................................ 27

3.2.2.3 Constante de tiempo del campo. ........................................................................... 273.2.2.4 Velocidad de respuesta del gobernador................................................................. 28

CAPTULO 4: Pruebas de Campo. .....................................................................29

4.1 Verificacin de la problemtica. ................................................................................... 29

4.2 Comportamiento Cualitativo del Generador. ................................................................ 33

4.2.1 Voltaje de salida ante un escaln en el voltaje de excitacin. CC, LA................. 344.2.2 Voltaje de salida ante un escaln en el voltaje de referencia. CA, LA................. 35

CAPTULO 5: Conclusiones y recomendaciones...............................................38

Conclusiones. ................................................................................................................................ 38Recomendaciones.......................................................................................................................... 40

BIBLIOGRAFA...................................................................................................41

APNDICES..........................................................................................................43

Generadores y excitadoras en las Plantas Hidroelctricas de la C.N.F.L. .................................... 44

ANEXOS.................................................................................................................47

Rectificacin trifsica de onda completa semicontrolada con carga resistiva. ............................. 48


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NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Diagrama de bloques del control de voltaje........................................................ 9

Figura 2.2 Sistema de Excitacin. ...................................................................................... 11

Figura 3.1 Excitacin con fuente de potencia con rectificadores controlados ................... 14

Figura 3.2 Diagrama funcional de bloques y equipos del SEE. ......................................... 15

Figura 3.3 Disposicin interior de equipos en el cubculo del SEE. .................................. 17

Figura 3.4 Tarjeta del regulador automtico de voltaje...................................................... 25Figura 3.5 Modelo matemtico del SEE del tipo ST1........................................................ 26

Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Planta Hidroelctrica y Subestacin Electriona......... 29

Figura 4.2 Medicin de la potencia en la barra de 34.5 kV de la Subestacin Electriona. 30

Figura 4.3 Medicin de voltaje en la barra de 34.5 kV de la Subestacin Electriona........ 31

Figura 4.4 Medicin de la potencia para el pico de medio da en la Sub. Electriona......... 32

Figura 4.5 Medicin del voltaje para el pico del medio da en la Sub. Electriona............. 32

Figura 4.6 Escaln aplicado en el voltaje de campo del generador.................................... 34

Figura 4.7 Voltaje de salida del generador ante un cambio de la excitacin. .................... 35

Figura 4.8 Escaln del voltaje de referencia durante el arranque....................................... 36

Figura 4.9 Voltaje del generador ante un escaln en el voltaje de referencia. ................... 37

Figura A.1 Circuito Rectificador de onda completa con SCR. ........................................... 48

Figura A.2 Forma de la onda rectificada para < 60 ........................................................49

Figura A.3 Forma de la onda rectificada para > 60 ........................................................49


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NDICE DE TABLAS

Tabla A.1.1 Planta: Anonos Construida: 1889 No. Generadores: 1 ................................... 44

Tabla A.1.2 Planta: Beln Construida: 1912 No. Generadores: 3 ..................................... 44

Tabla A.1.3 Planta: Brasil Construida: 2002 No. Generadores: 1 ..................................... 44

Tabla A.1.4 Planta: Cote Construida: 2002 No. Generadores: 1 ....................................... 45

Tabla A.1.5 Planta: D. Gutirrez Construida: 1996 No. Generadores: 3............................ 45

Tabla A.1.6 Planta: Electriona Construida: 1922 No. Generadores: 3 ............................... 45

Tabla A.1.7 Planta: Nuestro Amo Construida: 1949 No. Generadores: 2 ........................... 45

Tabla A.1.8 Planta: Ro Segundo Construida: 1895 No. Generadores: 2 ........................... 46

Tabla A.1.9 Planta: Ventanas Construida: 1944 No. Generadores: 4................................. 46


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NOMENCLATURA

52 Interruptor de potencia segn la nomenclatura ANSI.

ARESEP Autoridad Reguladora de Servicios Pblicos.

AVR Regulador Automtico de Voltaje, por sus siglas en ingles.

AC Corriente alterna.

DC Corriente directa.

C.N.F.L. Compaa Nacional de Fuerza y Luz.

LA Lazo Abierto.

LC Lazo Cerrado.

P.H. Planta Hidroelctrica.

SCR Rectificador Controlado de Silicio.

SEE Sistema de excitacin esttica.

TP Transformador de potencial.

TC Transformador de corriente.

var Voltio amperio reactivo.


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RESUMEN

El trabajo abarc el estudio de los sistemas de excitacin esttica. La teora comprende el

desarrollo tecnolgico del generador, enmarcando el proceso de excitacin dentro de un sistema

de generacin. Se definen los tipos de excitacin, las caractersticas y funciones principales, sus

ventajas y desventajas.

El captulo 3, a manera de manual, detalla los elementos bsicos que conforman un sistema de

excitacin esttica e indica las principales funciones de cada uno de ellos. Parte del concepto

general de un sistema de excitacin, compara su diseo con los modelos estndares de la IEEE, y

se sigue con la descripcin particular de cada uno de los componentes, todos ellos se caracterizan

dentro de un sistema de excitacin especfico de la marca Basler. Se finaliza el desarrollo terico

con una breve explicacin del modelo matemtico, la estabilidad y los factores que la afectan.

Con las mediciones de campo se busc verificar la problemtica de las variaciones de voltaje y

su supuesta relacin con la generacin de reactivo. Se concluyo que son los generadores de

mayor tamao los que aportan significativamente reactivo al sistema y no pequeos generadores,

como los operados por la C.N.F.L.. Las variaciones de voltaje obedecen a factores propios de la

red. Los problemas de estabilidad en la operacin de los generadores se presentan en procesos

transitorios, como es la sincronizacin de la mquina con el sistema, y no estn relacionados con

la estabilidad del SEE. EL funcionamiento estacionario del generador, conectado a la red, es muy

estable y esta determinado por el sistema.

Finalmente se recomienda mejorar la interfase del SEE con el gobernador, para mejorar la

estabilidad. Adems de un estudio de calidad de la energa para las variaciones de voltaje.


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CAPTULO 1: Introduccin

El objetivo principal del trabajo consisti en elaborar un documento terico que abarcara los

aspectos fundamentales de la teora de excitacin en generadores sincrnicos, basado en los

fenmenos fsicos y leyes matemticas que la rigen, de manera que pueda ser utilizado como

documento de consulta y apoyo para los cursos de mquinas elctricas. El documento est

dirigido para uso y comprensin de estudiantes de ingeniera, profesionales del rea de

generacin y tcnicos especializados.

La C.N.F.L. utiliza sistemas de excitacin esttica en doce de sus veinte generadores. Un

problema recurrente es la inestabilidad de las mismas, durante cortos perodos de su

funcionamiento en modo automtico y bajo ciertas condiciones de carga. Algunos de estos

sistemas de excitacin son de la marca Basler Electric, que se encuentran ubicados en las Plantas

Hidroelctricas de Electriona y Beln, en San Antonio de Beln; P.H. Nuestro Amo en la

Gucima de Alajuela y en P.H. Daniel Gutirrez en San Ramn de Alajuela.

Las labores de mantenimiento han resultado en la mayora de los casos poco efectivas, debido

principalmente a lo intuitivo y emprico de dichos procedimientos.

Actualmente es el inters de la C.N.F.L. la automatizacin de todas sus plantas hidroelctricas.

Se espera mejorar con esto la calidad de la energa producida y el servicio. Cuando la carga

vara, si los generadores no detectan este cambio, producen un exceso o dficit de reactivo el

cual se manifiesta como variaciones de voltaje, que se traducen en quejas de clientes sensibles a

la calidad de la energa como hospitales (CIMA, C.C.S.S.) y fbricas de alta tecnologa (INTEL).


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1.1 Objetivos

- Elaborar un documento sobre la teora de excitacin en generadores sincrnicos, tomando

en cuenta los principios matemticos y fsicos sobre los cuales se sustenta

- Identificar las causas de la falla en operacin automtica, caracterizndolas en al menos

uno de los casos particulares de la C.N.F.L.

1.1.1 Objetivos especficos

- Caracterizar el funcionamiento de las excitadoras estticas dentro de un sistema de

generacin hidroelctrico, (incluir modelo matemtico).

- Elaborar un manual prctico con elementos grficos, tcnicos y matemticos; que

explique los principios de funcionamiento, y a la vez sirva como herramienta que facilite

el mantenimiento de las excitadoras estticas.

- Abarcar la historia, desarrollo, estado del arte, tecnologas (tipos) de excitacin, principio

de funcionamiento (basado en la teora), descripcin de la operacin manual y

automtica, ventajas y desventajas de ambos tipos de operacin de las excitadoras

estticas.


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1.2 Metodologa

El trabajo se divide en tres partes principales. Con la finalidad de obtener la teora que

caracteriza el funcionamiento de las excitadoras estticas; en una primera etapa de investigacin

se consult fuentes bibliogrficas, Internet, informacin tcnica de fabricantes, entrevistas a

tcnicos e ingenieros de empresas afines a la C.N.F.L. que dan soporte tcnico a estos equipos.

En una segunda etapa se identific en situ cada uno de los elementos de los modelos tericos con

sus respectivas funciones. Para esto se realizaron visitas al campo en una de las Plantas

Hidroelctricas antes mencionadas.

Finalmente en la ltima etapa se procedi a valorar y analizar los resultados y conclusiones, lo

que permiti determinar si se cumplieron los objetivos y replantear algunos de ellos.


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CAPTULO 2: Desarrollo terico

2.1 Generacin elctrica.

La generacin comercial de energa elctrica dio inicio en 1868 con la invencin del generador

de corriente directa (dinamo) su desarrollo toma fuerza con la invencin de la bombilla elctrica

en 1881 por Edison, dando paso a la iluminacin de calles, grandes fbricas, almacenes y teatros.

Las empresas de generacin (Edison) que haban apostado a la corriente directa se resistan a

reconocer las ventajas de la generacin de la corriente alterna que inicia gracias a la invencin de

los campos rotantes por parte de Tesla (1888) cuyas patentes cede a Westinghouse, quien pone

en servicio la primera planta de generacin de corriente alterna en Nigara (1895). La invencin

del transformador mostr las ventajas de la corriente alterna e inclin la balanza del desarrollo de

la tecnologa, dando paso a un rpido desarrollo de sistemas de generacin locales.

Un sistema de generacin est formado por una mquina motriz o primotor, el generador, la

regulacin y el equipo de control adems de algunos dispositivos de proteccin. En esencia los

generadores representan el corazn o la parte central de un sistema de generacin. Los

Generadores Sincrnicos se han convertido en las mquinas ms utilizadas en la generacin de

energa elctrica, su popularidad se debe a que permiten un control ms preciso de la frecuencia

y del voltaje de la electricidad generada, pero principalmente a un control efectivo de la potencia

reactiva (var) y la activa (vatios). Sus componentes basan su funcionamiento en principios

fsicos, electromagnticos y elctricos.


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2.2 Generalidades del Generador Sincrnico.

La generacin elctrica se basa en el principio de la induccin electromagntica, fenmeno

que fuera descubierto en 1831 por Michael Faraday y casi simultneamente, de forma

independiente por Joseph Henry. Este principio consiste bsicamente en la posibilidad de inducir

una diferencia de potencial (voltaje) en un conductor que se mueve dentro de un campo

magntico constante o de forma anloga en un conductor estacionario dentro de un campo

variable. Si caracterizamos el campo magntico por medio de su flujo :

= A

dAB (2.2-1)

donde: B es la densidad del flujo magntico (cantidad de lneas de fuerza de campo por unidad

de rea) y dA es la unidad diferencial del rea. Para inducir el voltaje ocupamos que el conductor

corte las lneas del campo, la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la taza de cambio

del flujo con relacin al tiempo y esto es lo que conocemos como la Ley de Faraday:

eind =dt

d (2.2-2)

De este modo el generador consiste en una mquina diseada de forma tal que se cumplan con

los tres elementos de la induccin electromagntica: un conductor, un flujo de campo y el

movimiento relativo (variacin) entre ambos, el primer generador de AC se construy en 1888.

En el generador encontramos dos bobinados que corresponden uno al campo y el otro a la

armadura ligeramente separados por un entrehierro y aunque no existe un impedimento tcnico


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para realizar configuraciones de armadura mvil y campo estacionario o campo mvil y

armadura estacionaria, esta ltima constituye el arreglo comn por varias razones:

a) el campo puede ser construido para operacin eficiente a alta velocidad pues es de bajo

voltaje.

b) Es ms fcil aislar, proteger y fijar el devanado de alto voltaje de la armadura en el

estator.

c) Siendo ms compleja la construccin del devanado de la armadura, esta se facilita cuando

se realiza sobre una estructura rgida.

De este modo podemos concluir que los mayores esfuerzos elctricos suceden en el estator,

mientras que los esfuerzos mecnicos ms grandes se dan en el rotor.

As es posible encontrar pequeos generadores sincrnicos entre los 50 watts y 5 kilowatts que

constan de una armadura giratoria y un campo inmvil en el estator, sin embargo la convencin

es un campo rotativo y una armadura esttica.

El rotor de la mquina sincrnica puede ser de polos salientes o liso, del primer tipo se utilizan

para mquinas lentas, en centrales hidroelctricas y del segundo en las centrales termoelctricas

o turbogeneradores que operan a mayor velocidad.

La mayora de los generadores sincrnicos son trifsicos, lo que significa que cuentan con un

bobinado trifsico en el estator, por otro lado las mquinas sincrnicas monofsicas son menos

comunes y por lo general de poca potencia, debido a que la construccin trifsica reduce el

tamao y el costo del generador por kilovatios.


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El primotor suministra energa mecnica en el eje o rotor del generador para ser transformada en

energa elctrica, al tiempo que el bobinado de campo es alimentado con una corriente directa,

tambin conocida como corriente de excitacin, de este modo se produce el flujo giratorio que

inducir un voltaje en la armadura estatrica. El campo giratorio consiste en uno o varios pares

de ncleos de polos laminados con bobinas de alambres embebidas alrededor de los polos para

crear el campo de excitacin. Este se alimenta por medio de anillos de rozamiento desde una

excitadora rotativa con escobillas o una excitadora esttica, o ms comnmente, una conexin

directa a una excitadora rotativa sin escobillas.

La magnitud del voltaje AC generado es controlada por la cantidad de la corriente directa de

excitacin provista al campo. Si la excitacin aplicada es constante, la magnitud del voltaje

podra ser controlada manipulando la velocidad del generador; sin embargo, esto implicara una

frecuencia variable y la mayora de los usos requieren una frecuencia constante, este mtodo de

control del voltaje raramente se implementa. En su lugar se utilizan reguladores de voltaje de

estado slido o reguladores de excitacin esttica para controlar la corriente de excitacin y as

controlar de un modo ms exacto el voltaje del generador.

La excitacin requerida es una funcin de la carga del generador. Cuando la carga del generador

aumenta, la cantidad de excitacin requerida para mantener el voltaje constante tambin

aumenta. Las cargas reactivas con factor de potencia en atraso requieren mayor excitacin que

cargas con factor de potencia unitario. Las mquinas que funcionan con carga de factor de

potencia en adelanto requieren menos excitacin que cargas con factor de potencia unitario. Sin

embargo, los generadores sincrnicos normalmente no funcionan con factor de potencia en

adelanto.


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Una vez que la mquina est conectada en paralelo con una barra infinita, tal como el sistema

nacional interconectado, el regulador no controla el voltaje de salida del generador. El voltaje y

la frecuencia son determinados por la fuente infinita de voltaje (la barra infinita). El regulador de

voltaje controla la corriente reactiva o carga en var, a travs del cambio de la excitacin. Cuando

la excitacin aumenta sobre el nivel requerido para el voltaje nominal sin carga, en lugar de

aumentar el voltaje, aumenta el flujo actual de reactivo (var) desde el generador hacia la carga,

dando por resultado una condicin de carga con factor de potencia en atraso en el generador. Si

la excitacin se reduce debajo del nivel normal requerido sin carga, la corriente reactiva fluye

hacia la mquina dando por resultado una condicin de factor de potencia en adelanto. De lo

anterior se deduce que los generadores sincrnicos normalmente no funcionan con factor de

potencia en adelanto.

2.3 Sistemas de excitacin.

La condicin ideal del generador sincrnico es que provea energa elctrica a una tensin

relativamente estable. Debido a las constantes oscilaciones de la carga, se vuelve necesaria la

continua regulacin de la excitacin. Los generadores ms antiguos de pequea reactancia de

dispersin y pequea reaccin de inducido (gran entrehierro) eran en gran medida insensibles a

estas variaciones. Sus modelos primitivos de excitacin se accionaban manualmente por un

operador experto, quien controlaba constantemente el voltaje de salida y realizaba los ajustes

necesarios en el restato de campo de la excitadora en funcin de las variaciones de la carga, lo

que se conoce como control de lazo abierto. Ms adelante cuando se adicion un regulador

automtico de voltaje (AVR) se obtuvo un sistema de control de lazo cerrado.


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Los sistemas de excitacin han tenido un desarrollo paralelo al de los generadores, partiendo

desde modelos manuales, pasando por las excitadoras mecnicas autorreguladas, tambin

llamadas dinmicas, hasta los modernos sistemas de excitacin de las ltimas dcadas que usan

dispositivos electrnicos estticos.

En la actualidad para lograr generadores ms econmicos y eficientes se construyen con gran

reactancia de dispersin y pequeo entrehierro, lo que equivale a una mayor reaccin de

inducido, estas son las llamadas maquinas blandas, en las cuales al variar la carga, la excitacin

debe variarse en magnitud sensiblemente superior.

El objetivo principal de los sistemas de excitacin es mantener el voltaje terminal a valores

prcticamente constantes bajo regmenes de carga estables y tambin en regmenes transitorios,

cuando la carga oscila lentamente, o en otros casos, instantneamente.

Figura 2.1 Diagrama de bloques del control de voltaje

Las funciones bsicas de un sistema de excitacin son:


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- Suministrar la corriente al devanado de campo.

- Controlar los voltajes de salida en forma rpida y automtica.

- Contribuir a la estabilidad sincrnica del sistema de generacin.

Los elementos principales de un sistema de excitacin son la excitatriz y el regulador de voltaje,

este constituye el elemento que controla la salida de la excitatriz de manera tal que se tengan los

cambios de potencia reactiva y voltaje generado en la magnitud requerida por la carga.

Como ya dijimos la excitadora provee la corriente directa de excitacin al campo del generador

sincrnico. La magnitud de la potencia que se emplea para la alimentacin del campo se

encuentra comprendida entre 0.35% y 1.5% de la potencia nominal del generador,

respectivamente desde las potencias grandes hacia las pequeas. En generadores de la misma

potencia nominal, la potencia de excitacin requerida aumenta al aumentar el nmero de polos

[2].

La funcin de la excitadora es permitir que el regulador de voltaje use una pequea seal de

control para ajustar la corriente de campo del generador de valor mucho mayor. En esencia la

excitadora es un amplificador de potencia.

El regulador de voltaje muestrea el voltaje de salida del generador, esta entrada es reducida y

convertida a una seal de corriente directa que representa el voltaje de lnea del generador. La

seal se conduce a un detector de error donde se compara con una seal de referencia. La seal

de referencia es el punto de regulacin del regulador y est directamente relacionada con el

voltaje nominal del generador. Si la seal muestreada aumenta o disminuye debajo de la seal de

referencia, se produce una seal de error, la cual es amplificada y aplicada a la etapa de control

de potencia del campo del generador.


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Figura 2.2 Sistema de Excitacin.

Las caractersticas bsicas propias de un buen el regulador de voltaje se resumen en su rapidez

de respuesta despus de una variacin de la carga que evite as un cambio drstico en el voltaje

de salida. Adicionalmente debe ser exacto para llevar el voltaje nuevamente a su valor nominal y

sensible a los pequeos cambios de la carga.

2.4 Tipos de Excitadoras.

En la actualidad muchas de las excitatrices estn constituidas por un generador de corriente

directa (asincrnico) accionados mecnicamente por la turbina y montados fsicamente sobre el

mismo eje del generador, adems existe un nmero creciente de sistemas de excitacin de estado

slido que basan su funcionamiento en rectificadores o tiristores de estado slido. Las primeras

son llamadas excitadoras dinmicas o rotativas y las que carecen de partes mviles se conocen

como excitadoras estticas.


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2.4.1 Excitadoras Rotativas.

La excitacin rotativa se puede clasificar en dos grupos principales: con escobillas y sin

escobillas.

En la excitacin rotativa con escobillas el regulador de voltaje suministra la potencia al campo de

la excitadora y la corriente alterna producida es mecnicamente rectificada mediante un

conmutador y escobillas. Esta corriente directa se suministra al campo principal del generador

sincrnico por medio de anillos de rozamiento y escobillas. El regulador de voltaje realiza la

regulacin por medio de la excitadora rotativa. El inconveniente que se presenta es la respuesta

lenta en el voltaje de lnea debido a la inductancia suministrada al sistema por la excitadora

rotativa. Adicionalmente se presentan perdidas de energa que provocan que el sistema de

generacin sea menos eficiente. Se requiere adems un mantenimiento mayor debido al deterioro

de las escobillas y del conmutador de la excitadora.

La excitacin rotativa sin escobillas es similar al tipo con escobillas, la diferencia ocurre en la

rectificacin para lo cual utiliza un puente de diodos. Estos semiconductores giran con el rotor

convirtiendo el voltaje alterno en directo, para ser aplicado directamente al campo del generador

sincrnico, por medio de conductores a lo largo del eje que mantienen ambos sistemas

apareados. El mantenimiento disminuye drsticamente con la ausencia de las escobillas sin

embargo continan presentes las prdidas de energa en el eje y la inductancia aadida al sistema

por la excitadora rotativa.


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2.4.2 Excitadoras Estticas.

En la excitacin esttica el regulador de voltaje alimenta directamente el campo rotativo del

generador y no al campo de una excitatriz rotativa. Actualmente todos los reguladores de voltaje

son dispositivos estticos, lo que significa que sus componentes de estado slido permiten al

regulador realizar su funcin sin la necesidad de partes mviles. La potencia se suministra al

campo por medio de anillos rozantes y escobillas. La respuesta para la recuperacin del voltaje

de lnea del generador es ms rpida en comparacin con la excitacin rotativa, ya que el sistema

no ve el retraso adicional debido a las constantes de tiempo propias de la excitadora rotativa,

adems la eficiencia del sistema es mayor. Sigue sin embargo presente el mantenimiento a los

anillos y las escobillas.

Las excitadoras estticas se usan generalmente en lugar de las excitadoras rotativas en

generadores de baja velocidad y en sistemas generadores de alto rendimiento.

La Compaa Nacional de Fuerza y Luz opera generadores de baja velocidad, siendo

caracterstico para estos, que cuenten con rotores de polos salientes, que fueron instalados a

mitad del siglo pasado y contaban originalmente con excitadoras rotativas. Estas excitadoras han

sido reemplazadas por modernos sistemas de excitacin esttica. Paralelamente las nuevas

plantas hidroelctricas cuentan con excitadoras estticas para sus generadores. La generacin

elctrica basada en las caractersticas propias de los generadores sincrnicos de polos salientes y

con sistemas de excitacin estticos han dado buenos resultados y su funcionamiento es

congruente con lo expuesto.


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CAPTULO 3: Sistema de Excitacin Esttica.

Como parte de los trabajos de modernizacin y mantenimiento, algunos de los generadores de la

C.N.F.L., han sido equipados con sistemas de excitacin esttica, sustituyendo los originales

equipos dinmicos. Los nuevos sistemas de excitacin corresponden fehacientemente al modelo

de la Estndar 421.1 de la IEEE [8] para sistemas de excitacin con fuente de potencia con

rectificadores controlados, cuyo diagrama de bloques funcional se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.1 Excitacin con fuente de potencia con rectificadores controlados

Este diagrama da una idea bsica del funcionamiento, a pesar de no distinguir entre las etapas de

control y potencia. Sin embargo, est claro que se trata de un sistema de control de lazo cerrado,

cuya alimentacin, tanto de consumo propio como para la excitacin DC del campo, es tomada

del voltaje de salida del generador mismo. La rectificacin se lleva a cabo con rectificadores

controlados de silicio (SCR).


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Los siguientes apartados ilustran los equipos caracterizados como bloques o cajas negras en la

figura anterior, incluyendo su funcionamiento e importancia en el proceso de excitacin

regulacin del generador sincrnico.

3.1 Modelo del Sistema de Excitacin.

Para una mejor comprensin del funcionamiento del sistema de excitacin se redibuj el

diagrama de bloques anterior, sustituyendo los bloques funcionales por los principales equipos

que los constituyen y a la vez se indican en azul las seales de control y en rojo las lneas de

potencia.

Figura 3.2 Diagrama funcional de bloques y equipos del SEE.

En la figura 3.2 se muestran los equipos constitutivos del SEE, los cuales se encuentran

instalados en su mayora dentro de un cubculo metlico clase NEMA 1, el panel frontal del


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mismo est abisagrado para el acceso fcil a los equipos. Fuera del cubculo encontramos la

fuente de alimentacin DC utilizada durante el arranque o cebado del generador y lgicamente

los transformadores tanto de medicin (TC y TP) as como el transformador de excitacin de

donde se obtiene la potencia para excitar el campo del generador.

3.1.1 Elementos que conforman el Sistema de Excitacin Esttica.

El sistema de excitacin est conformado por diversos equipos de potencia, medicin y control.

Basado en la figura anterior se pueden clasificar y enumerar de la siguiente forma:

- Transformador de excitacin.

- Transformador para la medicin trifsica del voltaje terminal del generador.

- Transformador para la medicin monofsica de la corriente.

- El chasis de control con el regulador automtico de voltaje (AVR) y el control de disparo

de los SCR.

- El chasis de rectificacin o excitatriz donde se encuentran los SCR de potencia.

- El control manual ubicado en el panel frontal del cubculo.

- Ajustadores electrnicos del voltaje de referencia para modo manual y automtico.

- Banco de bateras como fuente de DC para el arranque del generador.

- Dispositivos electrnicos de control y proteccin.


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3.1.2 Disposicin fsica de los elementos que conforman el SEE.

Los equipos dentro del cubculo se encuentran fuertemente montados y estn protegidos contra

agentes externos contaminantes. El gabinete da el suficiente blindaje en caso de explosin

interna o externa o ante algn tipo de golpe mecnico del equipo mvil de la casa de mquinas.

En la parte externa del panel frontal se encuentran los mandos para el control en modo manual

as como indicadores y las cartulas de los equipos de medicin pertinentes para el operador.

Figura 3.3 Disposicin interior de equipos en el cubculo del SEE.


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3.2 Funcionamiento del Sistema de Excitacin Esttica

Bsicamente el SEE debe mantener el voltaje de salida del generador estable entre % del

voltaje nominal, para esto mide constantemente la salida del generador. Esta medicin se

compara con el voltaje de referencia, la diferencia de esta comparacin causa un cambio

inmediato en la salida DC de la excitatriz que alimenta el campo del generador, lo que tiende a

normalizar el voltaje de salida del generador. Cmo se lleva a cabo este proceso y cmo

intervienen los distintos dispositivos se analiza a continuacin.

3.2.1 Transformador de excitacin.

Es un transformador seco, enfriado por circulacin natural de aire y conectado en configuracin

Y-. En el lado de alta tensin se conecta el voltaje de salida del generador que puede estar

arriba de los 4.000 voltios, por este motivo se ubica en un gabinete cerrado y aparte del cubculo

de los equipos de control. El lado de baja tensin esta conectado al chasis de rectificacin y

adems puede ser utilizado para alimentar el servicio propio del chasis de control. Su potencia

nominal est en funcin al tamao de la mquina sincrnica y de su corriente de campo.

3.2.2 Transformadores de medicin.

Son dos transformadores de precisin, el primero para el sensado trifsico del voltaje de salida

del generador y el segundo para la corriente en una de las fases.

El transformador de potencial es de impedancia propia muy alta, debido a que trabaja

prcticamente en rgimen de vaco, ya que la carga conectada en su secundario son los circuitos

de comparacin del AVR y el de sincronizacin del control de disparo. Se conecta en

configuracin delta abierta tanto en el primario como en el secundario.


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El transformador de corriente o intensidad consiste en un toroide o galleta debidamente aislado,

el arrollamiento primario es el mismo conductor principal que lleva la generacin.

3.2.3 Chasis de control.

El chasis de control es doblemente alimentado, con voltaje DC desde el banco de bateras y

adicionalmente con voltaje AC. La operacin puede ser desde ambas fuentes. El voltaje AC se

asla a travs de un transformador, luego la tensin es rectificada y filtrada con un condensador.

La fuente de voltaje DC se conecta tambin al filtro a travs de un diodo. Esto permite la

operacin con una o ambas fuentes conectadas al chasis. La alimentacin de AC puede

conectarse al secundario del transformador de excitacin (ver figura 3.2) a travs de

transformadores de aislamiento. Se busca con esto disminuir la carga sobre la fuente de DC del

banco de bateras.

Este dispositivo controla o lleva a cabo tres procesos importantes en el funcionamiento del SEE,

primeramente el cebado o alimentacin de arranque al arrollamiento del campo del generador, la

sincronizacin y generacin de las seales de disparo para los SCR de la excitatriz y la

regulacin del voltaje de salida del generador sincrnico.

3.2.3.1 Funcin de cebado o arranque.

Para iniciar el arranque es necesario alimentar el arrollamiento de campo del generador con una

corriente de cebado que proviene del banco de bateras a travs de un circuito de crecimiento de

tensin. El proceso da inicio con la puesta en marcha de la mquina. El chasis de control cierra el

contacto de cebado (ver figura 3.2) y simultneamente arranca un temporizador de tiempo

ajustable (22 segundos en los equipos Basler). El contacto se mantiene cerrado hasta que se


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detecta a la salida del generador la tensin de sincronizacin, esta tensin es ajustable. Si el

temporizador termina su cuenta antes de obtener la tensin de sincronizacin, abre el contacto de

cebado y enva una seal de falla de flasheo. Debido a que el arrollamiento del campo es

altamente inductivo, la repentina desconexin puede provocar un sobre voltaje de regreso en el

chasis rectificador, para lo cual est conectado un diodo volante[6] de potencia en derivacin

con el campo y en oposicin al paso de la corriente DC.

Si el voltaje de salida alcanza el voltaje requerido, el circuito de crecimiento abre el contacto de

cebado, en ese momento el chasis toma el control total de la salida de la excitatriz.

3.2.3.2 Funcin de sincronizacin y generacin de las seales de disparo.

Las seales de voltaje a la salida del transformador de excitacin son llevadas a travs de un

transformador de aislamiento hasta el circuito de disparo, que las deriva y sincroniza por

separado y son comparadas con la seal de error amplificada del AVR, como resultado se

obtienen tres grupos de pulsos de salida, que se utilizan para el manejo de los SCR en el chasis

de rectificacin. La seal de control de error vara el ngulo entre el cruce por cero de una fase y

el pulso de salida [6], variando de este modo la potencia rectificada.

3.2.3.3 Funcin del regulador automtico de voltaje AVR.

El regulador sensa el voltaje de lnea por medio del TP de medicin, esta seal es reducida y

rectificada a una pequea seal de DC representativa del voltaje de lnea del generador. Esta

seal se conduce a un detector de error donde se compara con la seal de referencia de voltaje,

que est relacionada con el voltaje nominal de lnea del generador. Si la seal del voltaje de lnea


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del generador excede o disminuye debajo de la seal de referencia, se produce una seal de error.

Esta seal es amplificada y llevada al circuito de control de disparo.

3.2.4 Chasis de rectificacin o excitatriz.

La funcin bsica del chasis rectificador es producir la potencia para excitar el campo del

generador. Para la rectificacin utiliza un puente rectificador de potencia con tres tiristores

(SCR) y tres diodos, que toma la alimentacin trifsica del transformador de excitacin externo y

la convierte a DC para alimentar el arrollamiento del campo. El puente de rectificacin es

controlado por la seal de pulsos proveniente del control de disparo. Cuando el SCR es

disparado antes o despus de la mitad del ciclo (paso por cero), el regulador variar el voltaje DC

sensado a travs del campo y mantendr el voltaje de lnea del generador dentro de la banda de

regulacin.

Como se expuso en la teora, es la excitatriz la etapa de potencia del SEE y donde la seal del

AVR es amplificada, se ver mas adelante que esto representa una ganancia muy alta en el

modelo matemtico del AVR.

3.2.5 Panel de control manual.

El control manual es una opcin de rgimen de funcionamiento, bajo el cual funciona el sistema

de excitacin, puede requerirse para controlar la mquina en caso de falla del control automtico

o en caso de inestabilidad del mismo bajo ciertas condiciones de carga. Consiste en controles de

llave e indicadores a los que se tiene acceso en el panel frontal del cubculo del SEE.

Los controles manuales nos dan una idea de las magnitudes que es necesario manipular para el

funcionamiento del SEE y el generador. Estos controles son:


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- Llave automtico manual: transfiere el control entre los modos automtico y manual del

SEE.

- Llave aumentar disminuir la tensin de referencia en modo automtico: cambia el

voltaje de referencia cuando opera en modo automtico.

- Llave de reposicin de falla: se utiliza para restablecer el equipo cuando se ha activado

alguna de las protecciones y ha parado la mquina, por ejemplo durante la falla de cebado

de arranque.

- Llave aumentar disminuir la tensin de referencia en modo manual: vara el voltaje de

referencia cuando opera en modo manual.

- Llave de arranque parada: sirve para conectar o desconectar el sistema de excitacin.

En el panel frontal tambin se encuentran otros equipos de medicin y protecciones que no se

describen pues no forman parte de los objetivos de este trabajo.

3.2.6 Ajustadores electrnicos del voltaje de referencia.

Los ajustadores electrnicos reemplazan los potencimetros operados por motor proveyendo un

mtodo de ajuste basado completamente en electrnica de estado slido, opera como una

resistencia ajustable. Con la variacin de la resistencia vara el valor del voltaje de referencia

ante el AVR de manera inversa, una disminucin de la resistencia provoca un aumento del

voltaje de referencia y viceversa.

Se tiene un ajustador para cada modo de operacin, manual y automtico. Pueden ser ajustados

exteriormente desde el panel frontal.


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3.2.7 Dispositivos electrnicos de control y proteccin.

Para asegurar la operacin normal el SEE cuenta con una serie de protecciones que miden las

variables del proceso de regulacin, en primera instancia si alguna magnitud toma valores

fuera de los limites de trabajo, envan seales de advertencia a los indicadores del panel

frontal o activan el disparo o desconexin de la mquina. Se obvi la descripcin de estos

dispositivos debido a que el objetivo e inters del trabajo es la parte funcional del SEE. Sin

embargo se mencionan para tener una idea sobre ellos:

- Limitador de excitacin mnimo - mximo

- Controlador de factor de potencia.

- Rel de sobre-excitacin.

- Rel de secuencia de fase.

- Rel de baja tensin, sobre tensin y baja-sobre tensin.

3.3 Estabilidad del Sistema de Excitacin.

Como se describi en la figura 3.1 el SEE en conjunto con el generador forman un sistema de

lazo cerrado, donde el regulador es parte del lazo cerrado que une la salida del generador al

campo del mismo. Ya que el campo de la excitadora es una bobina de alambre arrollada sobre un

ncleo de hierro que tiene un valor de inductancia muy alto, la aplicacin de voltaje al campo

causa un aumento exponencial de la corriente de campo. El voltaje de salida del generador

cambia en respuesta a la corriente de campo. El resultado es un retardo de tiempo a partir del

momento del cambio de voltaje de campo hasta que el voltaje del generador sea restaurado al


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valor regulado. Debido a este retraso de tiempo y a la alta sensibilidad del regulador, se debe

incluir un circuito de estabilidad en el regulador de voltaje.

Como ya vimos la seal de error amplificada controla la conduccin de los tiristores en la etapa

de potencia. Cambios muy pequeos en el comparador o punto de suma del AVR pueden hacer

que la salida de potencia busque los niveles mximos o mnimos para corregir el voltaje del

generador. La alta sensibilidad del amplificador de error es una caracterstica de los reguladores

de voltaje con el fin de entregar exactitud para una buena regulacin del voltaje.

El punto en comn de los reguladores de voltaje es el circuito de estabilidad sin el cual el voltaje

del generador oscilara debido a la ganancia del AVR, y el circuito detector de error ajustara

continuamente su salida para corregir la desviacin del voltaje sensado contra su voltaje de

referencia. Para corregir esta oscilacin se agrega el circuito de estabilidad que retroalimenta la

salida del AVR con su punto de suma. Esto se ve mas claramente examinando el modelo

matemtico para el SEE. [11, 12].

En el caso concreto de los sistemas de excitacin Basler, el circuito de estabilidad est formado

por un circuito sensible a la frecuencia, que corresponde a una red de adelanto-atraso conectado

al campo para proporcionar una seal al punto de suma del AVR. La red de estabilidad se

encuentra en la tarjeta del AVR, adems cuenta con un ajuste que le permite la operacin estable

del generador para una variedad de tamaos de mquinas, controlando la cantidad de

retroalimentacin aplicada al AVR. Este ajuste lo realiza el fabricante desde la fbrica (ver

Figura 3.4). El ajuste en sentido horario provee buena estabilidad, pero tiende a hacer mayor el

tiempo de respuesta de recuperacin del voltaje de salida del generador. La rotacin en sentido


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antihorario logra disminuir el tiempo de respuesta. Un menor tiempo de respuesta ocasiona que

el voltaje del generador se torne inestable y comience a oscilar.

Figura 3.4 Tarjeta del regulador automtico de voltaje.

Un buen ajuste se logra rotando el potencimetro en sentido horario justo por encima del punto

de oscilacin con el generador en vaco, ya que la estabilidad de tensin es ms crtica en vaco.

Cuando se desee un ajuste que provea una respuesta temporal ms rpida con buena estabilidad

del generador, debe utilizarse un osciloscopio o un dispositivo para registrar la tensin. Una

mejor opcin es obtener la curva de respuesta el sistema y con mtodos de control, determinar

los parmetros del modelo del sistema. Para una experiencia similar referirse a [7].


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3.3.1 Modelo matemtico del SEE.

El modelo matemtico ST1 (ver [8,11]), corresponde al sistema de excitacin esttico con fuente

de potencia con rectificadores controlados, donde el bloque de la izquierda corresponde al AVR

y el bloque de la derecha al generador, el bloque inferior en el lazo de retroalimentacin del

regulador, corresponde al circuito de estabilidad el cual como ya vimos es posible ajustar, para

obtener una respuesta adecuada.

Figura 3.5 Modelo matemtico del SEE del tipo ST1.

El voltaje de salida del generador se indica como VC, y su ganancia y constante de tiempo son

respectivamente KC y TC. Mientras que KF y TF son la ganancia y constante de tiempo de la red

de estabilidad y KA, TA son la ganancia y la constante de tiempo del regulador. Los reguladores

de voltaje se caracterizan por tener ganancias muy altas siendo esto uno de los factores que

afectan su estabilidad. En este tipo de sistemas, las constantes de tiempo propias de la excitatriz

son muy pequeas y normalmente no requiere de la estabilizacin de la excitatriz como tal [11].


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3.3.2 Factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema generador.

3.3.2.1 La ganancia.

A fin de obtener alta exactitud para una buena regulacin del voltaje, el sistema de excitacin se

debe disear con circuitos electrnicos que tienen una ganancia muy alta. La ganancia, en

decibelios, define la magnitud de la salida que puede producir la aplicacin de una pequea seal

de entrada. A mayor amplificacin mayor es la ganancia. Los reguladores con una pobre

regulacin (2%) pueden tener una ganancia del amplificador de apenas 100 DB. Mientras que los

reguladores de voltaje con regulacin de % pueden tener ganancias arriba de 1000 DB.

3.3.2.2 La red de estabilidad.

La red con los circuitos de adelanto y atraso estn configurados para proporcionar una seal de

retroalimentacin en el punto sumador del regulador de voltaje. Esto asegura que el regulador no

corrija el voltaje del sistema tan rpidamente, que oscile el voltaje de la mquina o al contrario,

que retarde tanto el voltaje del generador, que tome un tiempo demasiado largo para recuperarse.

3.2.2.3 Constante de tiempo del campo.El campo del generador est caracterizado por una inductancia y una resistencia. El cociente de

la inductancia medida en henrios y la resistencia del campo medida en ohmios, se define como la

constante de tiempo de mquina KC. Describe el tiempo en segundos que tarda en cambiar la

corriente de campo, desde el 63% de un nivel inicial a un valor final, luego que haya iniciado un

cambio.

Generalmente es proporcional al tamao de la mquina. Sin embargo para pequeos generadores

hidrulicos que tienen muchos polos, la constante de tiempo puede ser extremadamente alta.


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3.2.2.4 Velocidad de respuesta del gobernador.

El gobernador controla al apertura de los alabes, variando de este modo el ngulo de incidencia

del agua sobre la turbina. Esto sirve para controlar la potencia real generada. Cuando el circuito

de medicin detecta un aumento de la carga, enva una seal de control al gobernador para que

vare la apertura y se pueda suplir la potencia requerida. El tipo de la respuesta del gobernador

tiene influencia en la estabilidad del sistema. Por ejemplo, si su respuesta no es lo

suficientemente rpida puede ocasionar inestabilidad del sistema, debido a las repetidas

consignas para lograr la potencia deseada.


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CAPTULO 4: Pruebas de Campo.

4.1 Verificacin de la problemtica.

De acuerdo a lo expuesto en el capitulo 1, las variaciones de la carga en el sistema, se

manifiestan como variaciones de voltaje, debido al dficit o al contrario por el exceso de la

potencia reactiva. En horas de la noche, cuando sistemticamente la mayora de las cargas

desaparecen, se acenta el aumento de la tensin, arriba de los valores nominales.

Para verificar el fenmeno del aumento de la tensin durante los perodos en los que la carga

desminuye, se realiz una medicin de campo en la Subestacin elevadora Electriona.

Justamente en esta subestacin se suple la potencia generada por P.H. Electriona.

Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Planta Hidroelctrica y Subestacin Electriona


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Esta Planta cuenta con tres generadores sincrnicos (ver anexo 1). Los generadores No.1 y 2 son

de eje vertical, 1700 kVA cada uno y equipados con sistemas de excitacin esttica de marca

Basler, el generador No.3 es de eje horizontal, 3450 kVA y esta equipado con un sistema de

excitacin dinmico con diodos rotantes. La configuracin se ilustra en la figura 4.1.

El voltaje de generacin de las unidades No.1 y 2 es de 6600V, la potencia generada va a una

barra colectora de 6.6 kV y luego es elevada a 34.5 kV por medio de tres transformadores de

1.7MVA. La generacin de la unidad No.3 a 13.8 kV, es transformada e igualmente conducida a

la barra de 34.5 kV. Esta subestacin forma parte del sistema de potencia administrado por la

C.N.F.L., el cual a su vez forma parte del Sistema Nacional Interconectado.

Figura 4.2 Medicin de la potencia en la barra de 34.5 kV de la Subestacin Electriona.

La primera medicin se llev a cabo en la barra de 34.5kV (figura 4.2), punto en el cual

coinciden los flujos de potencia procedentes de los tres generadores de la planta. Los circuitos


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que parten de la barra, alimentan diversos sectores residenciales, comerciales e industriales. En

la figura 4.2 se aprecia la tendencia a disminuir de la carga y al mismo tiempo el aumento de la

potencia reactiva.

Figura 4.3 Medicin de voltaje en la barra de 34.5 kV de la Subestacin Electriona.

La medicin de potenciales en el mismo intervalo nocturno, corrobor la tendencia al aumento

del voltaje en la barra (figura 4.3), con variaciones arriba del 1% del voltaje nominal (34.5 kV).

En el mismo punto se realiz una segunda medicin, dentro del pico del grfico de carga al

medio da, con el objeto de valorar el comportamiento de la barra y compararlo con su

desempeo nocturno. La principal caracterstica de la carga durante el intervalo diurno es una

mayor oscilacin, es decir un fluctuacin constante de las magnitudes de las cargas, que se

manifiesta como un rizado de aproximadamente un 2% del valor instantneo. Tales

perturbaciones no pueden ejercer inestabilidad en generadores, an con pobre amortiguamiento.

1%


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Figura 4.4 Medicin de la potencia para el pico de medio da en la Sub. Electriona.

Figura 4.5 Medicin del voltaje para el pico del medio da en la Sub. Electriona.

2%

0.9%


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La medicin del voltaje en la barra mostr que si bien los valores mximos son menores que los

nocturnos, igualmente se presentaron perturbaciones cercanas al 1% del voltaje nominal.

En Costa Rica la ARESEP es el ente encargado de fiscalizar la calidad de la energa. La norma

indica que las variaciones mximas permitidas del voltaje deben encontrarse dentro del 10%. As

las empresas generadoras deben velar porque las perturbaciones no sean mayores del 10% de los

valores nominales. Variaciones menores a este porcentaje pueden considerarse irrelevantes.

4.2 Comportamiento Cualitativo del Generador.

Para la segunda medicin se eligi el generador No.2 de la P.H. Electriona, marca AEG e

instalado en 1928. Originalmente contaba con un sistema de excitacin dinmico el cual fue

sustituido en 1994, por el actual sistema esttico marca BASLER. El voltaje y corriente DC de

excitacin son 110V y 156 A, respectivamente.

Se propuso realizar mediciones de pequea seal, para caracterizar el desempeo dinmico del

generador y del sistema de excitacin. Sin embargo se present el gran inconveniente del ruido

propio de las casas de mquinas que desdibujo las mediciones, por este motivo y dadas las

limitaciones tcnicas de los aparatos de medicin, se realizaron dos tipos de mediciones, con el

objetivo de valorar el desempeo cualitativo.

Siendo el generador un sistema, definimos su funcionamiento a circuito abierto, cuando no esta

conectado a la barra y por lo tanto no aporta carga, pero si gira a la velocidad sincrnica.

Adicionalmente se define el sistema a lazo abierto (LA) cuando no hay seal de

retroalimentacin en el punto de suma, esto equivale a su funcionamiento en modo manual, y las

consignas de voltaje y potencia son determinadas por el operador de la planta.


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Consecuentemente el funcionamiento a lazo cerrado (LC) es la operacin en modo automtico.

Se debe recordar que cuando el generador se encuentra conectado a la barra, es el sistema el que

le determina el voltaje y la frecuencia, por su relativa robustez con respecto a las dimensiones del

generador.

4.2.1 Voltaje de salida ante un escaln en el voltaje de excitacin. CC, LA.

Con la mquina generando la potencia nominal a factor de potencia unitaria, se aplic un escaln

en el voltaje de la excitadora, lo cual se traduce como un cambio en el factor de potencia.

Figura 4.6 Escaln aplicado en el voltaje de campo del generador.

El voltaje sensado a la salida del generador no se perturba ante el cambio aplicado en la

excitacin (Figura 4.7). Dos de las caractersticas para medir el desempeo de un sistema de

excitacin, son la velocidad de respuesta y su estabilidad. Cuando se ajusta o sintoniza el

sistema, la mejora de una de las caractersticas va en detrimento de la otra.


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Figura 4.7 Voltaje de salida del generador ante un cambio de la excitacin.

La insensibilidad del voltaje, ante cambios en la excitacin, fue un resultado esperado. En la

operacin regular de generadores de pequea potencia, la regulacin de los labes para variar la

potencia activa generada, puede ocasionar un cambio en el factor de potencia, por lo que se

ajusta el voltaje DC de campo del generador para regresar al valor determinado. En el ejercicio

de la medicin se recreo esta prctica. Por otro lado el factor de potencia con que se genera, no

es determinante para el sistema en el caso concreto de mquinas pequeas, tal y como lo son, los

generadores de P.H. Electriona.

4.2.2 Voltaje de salida ante un escaln en el voltaje de referencia. CA, LA.

Durante el arranque se abren lentamente los labes, alrededor de un 10%, para llevar la mquina

cerca de su velocidad nominal, durante este proceso el generador no se encuentra energizado. Al

momento de cerrar el interruptor de excitacin, se energiza el campo del generador y su voltaje


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es llevado al nivel indicado por el voltaje de referencia. Este voltaje, es una seal proporcional al

voltaje deseado a la salida del generador, que junto con el voltaje sensado, llegan al sumador del

AVR y producen la seal de error. Este error es mximo durante el arranque y produce un

escaln que la excitatriz intenta seguir, produciendo el campo necesario para generar el voltaje

nominal a la salida del generador, que an se encuentra en vaco.

Figura 4.8 Escaln del voltaje de referencia durante el arranque.

Es deseable una respuesta rpida del AVR y la excitadora, sin embargo una respuesta

excesivamente rpida puede afectar la estabilidad del voltaje del generador.

La respuesta obtenida se muestra en la figura 4.9, la misma no presenta sobrepaso, lo que indica

que el ajuste del sistema de excitacin origina una respuesta sobre-amortiguada. Esto representa

una caracterstica importante para un estudio de estabilidad mas profundo.


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Figura 4.9 Voltaje del generador ante un escaln en el voltaje de referencia.

Es importante, el hecho que este generador trabaja con factor de potencia cercano a uno, a pesar

de estar diseado para funcionar con factor de potencia de 0.8, esto se debe a una directriz

empresarial para la generacin. Esto reduce por un lado la magnitud de la corriente de excitacin

al no requerir generar reactivo. De este modo el sistema de excitacin no es exigido al 100% de

su capacidad. Por lo cual no fue necesario simular una condicin extrema de funcionamiento.

Otras mediciones al generador no fueron posibles realizar debido a las debilidades del equipo de

medicin con que se cont y al reducido tiempo de disponibilidad de la mquina, que por

razones obvias tiene un costo importante para la empresa.


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CAPTULO 5: Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones.

- Los sistemas de excitacin esttica, representan una buena opcin para ser utilizados en

conjunto con generadores de baja velocidad y alto rendimiento, tales como los utilizados

en pequeos sistemas de generacin hidrulica. No significa esto que solo en pequeos

generadores los encontremos, ya que cuentan con otras ventajas.

- La inexistencia de partes mviles, sensibles al desgaste mecnico, reduce los

requerimientos de mantenimiento, al menos mecnico en los sistemas de excitacin

esttica.

- Los sistemas de excitacin se equipan con elementos de control electrnicos y micro-

electrnicos, ideados para ser cambiados ntegramente en caso de falla. Esto dificulta los

intentos de reparacin pues debido a su complejidad es necesario un conocimiento

experto del elemento, por parte del encargado del mantenimiento y adicionalmente la

dificultad de obtener repuestos especficos y no los mdulos completos.

- Si bien los sistemas de excitacin esttica permiten un control efectivo de las potencia

reactiva y activa. Para que estos puedan influir en la calidad de la energa del sistema al

que se encuentran conectados, la potencia que generan debe ser al menos comparable con

los flujos de potencia de los circuitos cercanos.

- En la puesta en marcha del generador, cuando se pone a rodar el rotor sin ningn tipo de

carga, basta una apertura de labes del 10% aproximadamente, para poder alcanzar la


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velocidad nominal de sincrona. El restante 90% queda para ajustar el nivel de potencia

activa deseado.

- Se pudo observar que el momento de mayor inestabilidad del funcionamiento en los

generadores fue durante la sincronizacin con el sistema, con el objeto de ser puesto en

lnea con el mismo. Este proceso se lleva a cabo de manera manual o automtica, para la

segunda opcin se utiliza el sincronizador automtico, cuyo estudio y descripcin qued

fuera del alcance de este trabajo, por no formar parte integral del SEE, sin embargo una

vez puesto el generador en lnea, es llevado por la inercia del sistema, que le indica la

frecuencia y voltaje de trabajo, con lo que su funcionamiento se torna estable.

- Con referencia a la calidad de la energa y la injerencia sobre esta, de los generadores de

la C.N.F.L., se concluye que el tipo de red de potencia del rea administrada por la

C.N.F.L. no corresponde ni al tipo radial ni al anillado, mas bien es un hbrido de ambos.

Esta configuracin y las caractersticas de los circuitos (longitud, carga, etc.), evitan que

se comporte de forma robusta y sus flujos de potencia no sean homogneos. Como se

midi la variaciones de voltaje en la barra de la subestacin no alcanzan el 1%, que son

valores tolerables y dentro de lo permitido.

- Adems, la pequea magnitud de los generadores operados por la C.N.F.L., no aportan al

sistema un significativo volumen de reactivo, que pudiese influenciar en las variaciones

del voltaje, quizs por este motivo la directriz empresarial de generar con factor de

potencia unitario. Los generadores de mayor tamao, operados por el ICE, son los

encargados de suplir el reactivo a la red y por ende de la regulacin del voltaje. Para este

mismo objetivo se construyen bancos de capacitores en subestaciones de mayor tamao.


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Recomendaciones.

- Se recomienda mejorar la interfase electromecnica entre la excitadora y el gobernador,

con la finalidad de obtener una respuesta mas rpida y precisa, haciendo un tiempo de

sincronizacin menor y con menores variaciones en la velocidad de la mquina. Debido a

que este es el elemento menos robusto del sistema Generador-Excitacin.

- Es requerido un estudio de calidad de la energa (Power Quality), para determinar las

principales causas de las variaciones del voltaje, a fin de establecer las medidas

correctivas, como por ejemplo: regulacin de los taps de los transformadores d e

potencia, instalacin de bancos de capacitores, etc.

- Aumentar la capacitacin del personal a cargo del mantenimiento, sobre los diversos

elementos que integran el sistema de excitacin. Preferiblemente si son impartidos por las

mismas empresas fabricantes.


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Mxico, 1987.

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APNDICES


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Generadores y excitadoras en las Plantas Hidroelctricas de la C.N.F.L.

La Compaa Nacional de Fuerza Luz cuenta con nueve Plantas Hidroelctricas, siete de ellas se

ubican dentro del gran rea metropolitana, la octava se encuentra en San Ramn de Alajuela,

P.H. Daniel Gutierrez y la ltima junto al Lago de Cote, en Guanacaste.

En conjunto se cuenta con veinte generadores con sus respectivos sistemas de excitacin. Su

distribucin se indica en las siguientes tablas.

Tabla A.1.1 Planta: Anonos Construida: 1889 No. Generadores: 1

GeneradorNo.

Tipo Marca FechaInstalacin

Excitacin Marca FechaInstalacin

1 Sincrnico AEG 1930 Esttica Cibertec 1993

Tabla A.1.2 Planta: Beln Construida: 1912 No. Generadores: 3

GeneradorNo.



1 Sincrnico AEG 1931 Esttica Basler 1993

2 Sincrnico GE 1926 Esttica Basler 1993

3 Sincrnico ABB 1990 Dinmica Aros

Electric

1990

Tabla A.1.3 Planta: Brasil Construida: 2002 No. Generadores: 1

GeneradorNo.

Tipo MarcaFecha

InstalacinExcitacin Marca

FechaInstalacin

1 Sincrnico ABB 1998 Esttica ABB 1998


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Tabla A.1.4 Planta: Cote Construida: 2002 No. Generadores: 1

Generador

No.

Tipo Marca Fecha

Instalacin

Excitacin Marca Fecha

Instalacin1 Sincrnico Toshiba 2002 Brushless Grameyer 2002

Tabla A.1.5 Planta: D. Gutirrez Construida: 1996 No. Generadores: 3

GeneradorNo.



1 Sincrnico IMPSA 1996 Esttica Basler 1996



Tabla A.1.6 Planta: Electriona Construida: 1922 No. Generadores: 3

GeneradorNo.





3 Sincrnico AEG 1991 Dinmica AEG 1991

Tabla A.1.7 Planta: Nuestro Amo Construida: 1949 No. Generadores: 2

GeneradorNo.



1 Sincrnico Westinghouse 1949 Esttica Basler 1997

2 Sincrnico Westinghouse 1949 Esttica Basler 1997


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Tabla A.1.8 Planta: Ro Segundo Construida: 1895 No. Generadores: 2

Generador

No.

Tipo Marca Fecha

Instalacin

Excitacin Marca Fecha

Instalacin

1 Sincrnico Brown

Boveri

1895 Esttica Cibertec 1993

2 Asincrnico Alconza 1998 Condensador Merlin

Gerin

1998

Tabla A.1.9 Planta: Ventanas Construida: 1944 No. Generadores: 4

GeneradorNo.



1 Sincrnico GE 1944 Esttica GE 1944





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ANEXOS


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Rectificacin trifsica de onda completa semicontrolada con carga resistiva.

La figura A.1 representa un puente semicontrolado tpico con carga resistiva, y las figuras A.2 y

A.3 la forma de onda a su salida. Ntese como la mitad de los elementos rectificadores, es

controlable, mientras que la mitad restante, no lo es. Veamos ahora las particularidades de ste

tipo de montaje.

Figura A.1 Circuito Rectificador de onda completa con SCR.

Supondremos que los impulsos de gobierno de los tiristores permiten un margen de control de

180 . As pues, dado que solo existen tres de las seis fases que se nos presentan para rectificar, es

decir la mitad. Ello es causa de que la tensin a la salida del rectificador, y que queda aplicada a

la carga, adopte la forma de la figura A.2, mientras que el ngulo de conduccin , sea inferior a

/n, siendo n el nmero de fases que podemos controlar y no el nmero de fases que nos

suministra el secundario del transformador. En el caso que se nos presenta n = 3, por lo tanto la


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tensin Vo aplicada a la carga ser la representada en la figura A.2, siempre que , sea inferior a

60.

Figura A.2 Forma de la onda rectificada para < 6060Cuando el ngulo de encendido 2 sea superior a /n, (superior a 60 ), las variaciones que

experimentar Vo son representadas en la figura A.3.

Figura A.3 Forma de la onda rectificada para > 6060


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IE-0502 Sistemas de Excitacin Esttica de Generadores Sincrnicos 50

Cuando es inferior a 60 no es preciso hacer ningn montaje especial para las cargas

inductivas, sin embargo cuando sea superior 60 , se deber colocar un diodo volante en

paralelo con la carga, para cortocircuitar la corriente auto inducida en sta.

Para el clculo de las corrientes y tensiones continuas rectificadas no es preciso distinguir entre

menor o mayor que /n. En el ejemplo propuesto de rectificador trifsico semicontrolado en

puente se tiene que:

)cos1(2

*3

+=

OM

OAV

VI

)cos1(2

*3

+=

OAV

OAV

IV

Documents

x. Sistemas de Excitaci�n Est�tica de Generadores s�ncronos.pdf