Generadores de CA

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Generadores de CA

Grupos Electrgenos Generadores de CA pg. 1 de 34

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Tabla de contenido Tema 1: Generacin de corriente alterna (CA). ...............................................................................3 Describir la generacin de corriente alterna (CA) y establecer los parmetros asociados a una

onda sonusoidal...............................................................................................................................3 Autocomprobacin 1 ........................................................................................................................9 Tema 2: Alternadores ....................................................................................................................10 Explicar las diferencias bsicas entre un alternador y un generadorde corriente directa y

describir cmo se induce el voltaje alterno dentro delestator de un alternador. ............................10 Autocomprobacin 1 ......................................................................................................................11 Enunciar las razones para el uso de campos rotatorios y describir dos tipos diferentes de

rotores............................................................................................................................................12 Autocomprobacin 2 ......................................................................................................................14 Describir cmo se energiza el campo y cmo se regula la salida de voltaje .................................15 Autocomprobacin 3 ......................................................................................................................17 Respuestas a las preguntas de autocomprobacin.......................................................................18 Tema 3: Funcionamiento en paralelo de alternadores ..................................................................19 Establecer cmo los alternadores se sincronizan o se conectan en paralelo ...............................19 Autocomprobacin 1 ......................................................................................................................24 Autocomprobacin 2 ......................................................................................................................28 Respuestas a las preguntas de autocomprobacin.......................................................................29 Tema 4: Operacin de una batera de GED ..................................................................................30


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Tema 1: Generacin de corriente alterna (CA). La mayor parte de la energa elctrica que se consume en Cuba se genera y distribuye como corriente alterna, de ah la importancia de que los electricistas comprendan las caractersticas de los circuitos de CA. Los voltajes y corrientes alternos cambian su polaridad (los electrones van en una direccin y luego en la otra) y su valor con relacin al tiempo en ciertos patrones llamados formas de onda. Entre estas formas de onda, se le prestar especial inters a la onda sinusoidal debido a su importancia bsica para la industria elctrica. Este mdulo abarcar las caractersticas de una onda sinusoidal y analizar los pasos relacionados en la generacin de la misma, as como la relacin entre la frecuencia de salida, los polos y la frecuencia rotacional de un alternador. Describir la generacin de corriente alterna (CA) y establecer los parmetros asociados a una onda sinusoidal. Razn de corte de las lneas de fuerza. El valor de la magnitud de la fem inducida es directamente proporcional a la razn de corte de las lneas de fuerza por un conductor. Esto significa que si la razn de corte de las lneas de fuerza se incrementa, entonces la fem inducida lo har tambin. Si consideramos que la longitud del conductor no vara, entonces esta razn (y por lo tanto el voltaje inducido) depender de los tres factores siguientes: 1. El flujo por polo del campo magntico. 2. La velocidad de movimiento del conductor. 3. El ngulo con que el conductor corta las lneas de fuerza. Esto se muestra en la ecuacin: Eg = K * * n Donde: K = valores fijos para un generador dado = flujo por polo n = velocidad del conductor Eg = voltaje generado (fem inducida) Cmo la velocidad de corte afecta la fem inducida. La figura siguiente muestra que si el flujo por polo (fuerza del campo) se incrementa, la velocidad de corte se incrementa, lo que dar como resultado una fem inducida mayor.


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La figura siguiente muestra que si la velocidad del conductor aumenta, la velocidad de corte aumenta, lo que dar como resultado una fem inducida mayor.

La figura siguiente muestra que si el ngulo de corte aumenta, (hasta un mximo de 90 respecto a la direccin del flujo), la velocidad de corte aumentar tambin, lo que dar como resultado una fem inducida mayor.

Resumiendo, la fem inducida aumentar si aumenta la densidad del flujo, la velocidad del conductor o el ngulo de corte de las lneas de fuerza.


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Generacin de una onda sinusoidal Cuando un conductor rota a travs de un campo magntico, como se muestra en la figura siguiente (a), el voltaje generado (fem) y la corriente resultante tendrn una forma de onda sinusoidal (b). Ntese como el voltaje (o corriente) vara con el tiempo. ste comienza en cero, se incrementa hasta un valor mximo positivo, luego regresa al cero, se incrementa hasta un valor negativo mximo, vuelve a cero y el ciclo se repite de nuevo.

La onda sinusoidal se alterna entre los valores positivos y negativos y la combinacin de estas alternaciones hace un ciclo. Dicho de otra forma, un voltaje de CA en forma de una onda sinusoidal, se produce cuando se rota un conductor a una velocidad constante alrededor de un punto ubicado en el centro de dos polos magnticos opuestos. El voltaje inducido en el conductor variar de acuerdo al ngulo con que ste corte las lneas de fuerza como se muestra en la figura siguiente.


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No se induce voltaje cuando el conductor se encuentra en los cero grados, y se mueve paralelo a las lneas de fuerza, mientras que el mximo voltaje se induce en los 90 cuando se mueve perpendicular a ellas. La fem inducida instantnea en cualquier otro ngulo se puede determinar multiplicando la fem mxima por el seno del ngulo con que el conductor corta el campo. La direccin de corte del campo magntico en la primera mitad de la revolucin (entre 0 y 180) cambia en la segunda mitad de la revolucin (entre 180 y 360). Esto provoca que la polaridad de la fem inducida cambie cada 180, lo que trae como resultado alternaciones positivas y negativas de la onda sinusoidal. La figura siguiente muestra la relacin entre el conductor que rota y el valor del voltaje inducido, dando como resultado una onda sinusoidal.

Grados elctricos y mecnicos Los grados mecnicos miden el ngulo de rotacin del eje de una mquina. Una revolucin completa realizada por el eje de un alternador es igual a 360 mecnicos. Los grados elctricos se relacionan con un ciclo de fem generada, esto quiere decir que un ciclo siempre ser igual a 360 elctricos. Se completan 360 elctricos cada vez que el conductor pasa por dos polos opuestos, produciendo un ciclo de la onda sinusoidal. Ciclo Podemos ahora definir ciclo de una onda sinusoidal como la porcin de la onda que se repite idnticamente en el tiempo, la cual incluye una alternacin positiva y otra negativa y que coincide con 360 elctricos.


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La figura anterior muestra un alternador de dos polos. Cada vez que el conductor completa una revolucin (360 mecnicos) la forma de onda completa un ciclo (360 elctricos).

La figura anterior muestra un alternador de cuatro polos. Cuando el conductor completa una revolucin, pasa a travs de 360 mecnicos. Sin embargo, en esa revolucin generar dos ciclos y por tanto pasar a travs de 720 elctricos. Ejemplo 1: Cuntos grados elctricos se producirn en un alternador de 4 polos si este rota 2 revoluciones completas? Cada vez que un conductor pasa por cada par de polos (dos polos opuestos) en el alternador se producir un ciclo (360 elctricos), entonces una revolucin del alternador producir: 2 * 360 = 720 elctricos. En dos revoluciones (720 mecnicos) el alternador producir: 2 * 720 = 1440 elctricos. Perodo El tiempo en segundos que dura un ciclo se denomina perodo y se representa con la letra P. Un perodo coincide con 360 elctricos. Frecuencia La frecuencia (f) puede definirse como el nmero de ciclos en un intervalo de tiempo dado. Ntese que si el intervalo de tiempo (tiempo para completar un ciclo) aumenta, entonces la frecuencia disminuye. Por lo tanto, si el tiempo requerido para 1 ciclo es de 0,5 segundos entonces la frecuencia es igual a 2 ciclos por segundo. Sin embargo, si el perodo de tiempo aumenta a 1 segundo la frecuencia disminuye a 1 ciclo por segundo. La antigua unidad de medida de la frecuencia era ciclos por segundo, y sin dudas este trmino estar presente por algn tiempo. No obstante, desde la adopcin del SI, la unidad de medida de la frecuencia es el hertz y su smbolo es Hz. La frecuencia es el inverso del perodo (p) y por tanto la frmula para determinar su valor es:

f = 1


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p Relacin entre la frecuencia, el nmero de polos y la velocidad angular del generador La frecuencia de salida de un generador o alternador de CA se determina por 2 factores: 1. La velocidad con que el circuito cerrado rota a travs del campo, en r.p.m. 2. El nmero de polos o pares de polos. Por lo anterior, la frecuencia de una onda de voltaje o corriente estar en dependencia del nmero de polos del generador y de la velocidad de giro de ste (velocidad angular o frecuencia de giro). Si un generador tiene mayor nmero de polos que otro y ambos giran a la misma velocidad, entonces en el primero se inducir una fem de mayor frecuencia dado que en el mismo perodo de tiempo, los conductores pasan mayor cantidad de veces bajo una cara polar. La frecuencia tambin depende de la velocidad de giro del generador. A mayor velocidad, mayor ser la frecuencia de la onda del voltaje generado. En resumen, la frecuencia de una onda generada es directamente proporcional a la velocidad de giro y directamente proporcional al nmero de pares de polos. Para determinar la frecuencia de salida de un generador ser necesario multiplicar la cantidad de ciclos completados en una revolucin por el total de revoluciones en 1 segundo. Como el nmero de ciclos en 1 revolucin coincide con el nmero de pares de polos de la mquina y como generalmente en sus datos de fbrica o chapa aparece la cantidad de polos en vez de los pares de polos y las revoluciones por minuto en lugar de revoluciones por segundo, la frmula para el clculo de la frecuencia de salida queda:

p * n f = 120 Donde: f = frecuencia de salida en hertz p = nmero de polos de la mquina n = frecuencia rotacional o velocidad angular en revoluciones por minuto (r.p.m.) Ejemplo 1: Cul es la frecuencia de salida de un alternador de 4 polos si su frecuencia rotacional es de 1800 r/min?

p * n 4 * 1800 f 120 = 120 = 60 Hz

Ejemplo 2: Qu cantidad de polos tiene un alternador que se hace girar a una velocidad de 1800 rpm y brinda una frecuencia de salida de 60 Hz?

p * n f * 120 60 * 120 f = 120 por tanto: p = n = 1800 = 4 polos


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Autocomprobacin 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Para un alternador de 8 polos, la relacin de los grados elctricos a los mecnicos sera

de _____ a 1.

2. Cuando el eje de un alternador da vueltas alrededor de 720 mecnicos, la onda sinusoidal habr pasado por 4320 elctricos. Para que esto suceda, el alternador debera tener ___ polos.

3. Una onda sinusoidal puede ser una representacin grfica de la corriente o el voltaje. V / F? _____

4. Si una onda realiza una alternacin positiva y otra negativa, habr completado un __________.

5. El nmero de ciclos completados en un segundo se conoce como ______________ y su smbolo es ____________.

6. La unidad SI de frecuencia es: ___________ y su smbolo es ____________.

7. Escriba la ecuacin para calcular la frecuencia de salida de un alternador.

8. La frecuencia de salida de un alternador movido por una turbina de agua es de 60 Hz. Si la turbina rota a 180 r/min, entonces el alternador tiene _____ polos.


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Tema 2: Alternadores Casi toda la generacin de energa se lleva a cabo a travs de generadores de corriente alterna o alternadores. La mayora de estas mquinas son trifsicas. Los electricistas, sin importar en qu rea trabajen, ya sea en generacin, construccin o mantenimiento, necesitan sin lugar a dudas comprender el modo en que operan estas mquinas. Explicar las diferencias bsicas entre un alternador y un generador de corriente directa y describir cmo se induce el voltaje alterno dentro del estator de un alternador. Diferencias bsicas entre un alternador y un generador de corriente directa En un generador de CD, el flujo se genera por electroimanes fijados con pernos al estator. La armadura rota dentro de este campo y por tanto en su interior se induce un voltaje. Este voltaje y la corriente resultante se extraen de la armadura con escobillas. Las escobillas, junto con el colector, convierten adems la corriente alterna inducida en corriente directa pulsante. Cmo se induce el voltaje alterno dentro del estator de un alternador Un generador de CA puede ser descrito como un generador de DC de adentro hacia fuera, donde el campo es la parte rotatoria y la armadura se convierte en la parte fija (ver Fig.1). El campo es el rotor que se energiza a travs de los anillos deslizantes y las escobillas desde alguna fuente de CD. El ajuste de la cantidad de corriente que fluye a travs de los devanados del campo, y por tanto, la cantidad de flujo generado, puede controlar la cantidad de voltaje inducido. El rotor se mueve por el motor primario. A medida que el flujo del rotor corta los conductores de la armadura ubicados en las ranuras del estator, el voltaje se induce en estos conductores. El voltaje inducido es alterno y sinusoidal.

Fig. 1: Alternador de dos polos bsico donde se representa el enrollado de armadura de slo un conductor.


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Autocomprobacin 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema.

1. La salida de voltaje puede ser variada cambiando la corriente del campo.

a) Verdadero b) Falso

2. El estator en grandes alternadores contiene los conductores de la armadura.


3. La corriente suministrada al campo es alterna.



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Enunciar las razones para el uso de campos rotatorios y describir dos tipos diferentes de rotores Existen varias razones que justifican que la mquina posea el campo rotatorio y la armadura fija: 1. Se necesitan menos y ms pequeos anillos deslizantes, ya que se necesitaran al menos

tres anillos deslizantes y un conjunto similar de escobillas para extraer la corriente de la armadura si esta fuera rotatoria.

2. Las escobillas y los anillos deslizantes pueden ser pequeos ya que los campos necesitan

corrientes y voltajes relativamente bajos. 3. Toda la estructura del campo es fsicamente menor que la armadura, lo que constituye una

ventaja mecnica, requirindose cojinetes de menor tamao y reducindose las vibraciones.

4. La mayor parte del calor generado en la mquina se produce de los devanados de la

armadura. En mquinas grandes, el enfriamiento de la armadura se realiza con lquido. Este proceso es mucho ms fcil de llevar a cabo en la parte fija que en la parte rotatoria.

La estructura del campo difiere en los alternadores en dependencia de la velocidad (frecuencia de rotacin). Los motores primarios de alta velocidad, tales como turbinas de vapor, se conectan a alternadores de dos campos que generan 60 Hz a 3600 rpm (revoluciones por minuto). Estos rotores de alta velocidad se denominan rotores cilndricos. Poseen una circunferencia bien definida, estn bien balanceados y son relativamente largos y de dimetro pequeo (ver Fig. 2). Los motores primarios de baja velocidad, tales como motores diesel, se conectan a mquinas de rotor de polos salientes. Un alternador de cuatro polos rotar a 1800 rpm para generar 60 Hz. Estos rotores son ms cortos en longitud y mayores en dimetro que el rotor cilndrico. Cada polo es de fcil identificacin dada la forma del rotor, de la cual parte la denominacin de polos salientes (ver Fig. 2).


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Fig. 2: Rotores cilndrico y de polos salientes. La relacin entre frecuencia, nmero de polos y velocidad se expresa como:

Polos * velocidad Hz = 120 Por ejemplo, un alternador de seis polos a 50 Hz tendr que rotar 1000 rpm.

6 * 1000 50 = 120


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Autocomprobacin 2 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Los alternadores usan campos rotatorios en vez de armaduras rotatorias porque:

a) Los anillos deslizantes son ms pequeos. b) Se necesitan menos anillos deslizantes. c) Es ms fcil de enfriar el estator. d) Se necesitan cojinetes ms pequeos. e) Todas las opciones anteriores.

2. Los rotores de alta velocidad se denominan:

a) Salientes. b) Cilndricos. c) Con terminal doble. d) Ninguno de los anteriores.

3. Un rotor con dimetro relativamente grande es probablemente:

a) Un rotor cilndrico. b) Un rotor de alta velocidad. c) Un rotor de polos salientes. d) Un rotor asincrnico.

4. Un alternador de cuatro polos a 50 Hz deber rotar a:

a) 1500 rpm. b) 1800 rpm. c) 1775 rpm. d) 1200 rpm. e) 3600 rpm.

5. Cuntos polos tendr un alternador de 300 rpm a 60 Hz?

a) 2 b) 8 c) 12 d) 24

6. A qu frecuencia generar un alternador de seis polos girando a 1200 rpm?

a) 50 Hz. b) 25 Hz. c) 60 Hz. d) 100 Hz.


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Describir cmo se energiza el campo y cmo se regula la salida de voltaje La cantidad de voltaje generado en la armadura del alternador est en dependencia de: 1. El nmero de vueltas por bobina de la armadura. 2. La velocidad del campo rotatorio (rotacin del flujo). 3. La cantidad de flujo producido por el campo. De estas tres, solamente la ltima resulta prctica ya que las vueltas de la armadura no se pueden cambiar y debido a que la mayora de los alternadores deben funcionar a una frecuencia de rotacin fija para generar una cantidad de ciclos por segundo (hertz) constante. La cantidad de flujo producido en el campo est en dependencia de tres factores: 1. El nmero de vueltas en los devanados del campo. 2. El tipo del material del ncleo (o hierro) del rotor. 3. La cantidad de corriente que fluye a travs de los devanados del campo. De estos tres factores, una vez que la mquina ha sido construida, solamente puede variarse el nmero tres. Resumiendo El voltaje de salida del alternador depende de: 1. Nmero de vueltas de la armadura (fijo). 2. Velocidad del campo rotatorio (fija). 3. Cantidad de corriente en el campo (variable). Por lo tanto, en un generador sincrnico, la nica variable que puede controlar el voltaje de salida es la cantidad de corriente que circula en el campo, la cual se denomina corriente de excitacin. Un alternador puede ser de excitacin independiente o autoexcitado. Alternador autoexcitado. Excitacin sin escobillas La mayora de los alternadores modernos son autoexcitados y sin el uso de escobillas, conmutadores o anillos de deslizantes. Ver Fig. 3. El excitador est compuesto por una armadura trifsica rotatoria. La salida de la armadura est conectada a un puente rectificador trifsico de onda completa. La salida de CD del rectificador rotatorio alimenta entonces al rotor principal del alternador, donde se produce el campo. La alimentacin de CD para el campo del excitador generalmente viene del estator del alternador a travs de un puente de onda completa. El rectificador que alimenta el campo del alternador y la armadura del excitador estn montados en el mismo eje y rotan simultneamente. La mquina misma crear su voltaje debido al magnetismo residual en el rotor del alternador o en el estator del excitador. Sin la necesidad de escobillas, conmutadores y anillos deslizantes, la mquina se vuelve muy confiable y requiere poco mantenimiento.


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Fig. 3: Sistema de autoexcitacin sin escobillas.

El sistema de excitacin descrito en las figura 3 muestran la armadura de un alternador monofsico. Esto se ha hecho para simplificar los dibujos. La mayora de los alternadores grandes poseen estatores trifsicos. Reguladores de voltaje A continuacin, veremos cmo el cambio de corriente y factor de potencia en la carga provoca la variacin de la cada de voltaje dentro de la mquina. Esto provoca el cambio del voltaje en los terminales, lo cual no es aceptable para la mayora de las instalaciones. Casi todas las cargas requieren un voltaje constante. El regulador de voltaje es el encargado de lograr esto. El aumento de corriente en el campo rotatorio generar ms flujo y por tanto aumentar el voltaje en la armadura del alternador hasta alcanzar el nivel apropiado. En la prctica el procedimiento donde se ajusta la corriente del campo del excitador para mantener el voltaje de salida del alternador, se realiza automticamente por el regulador de voltaje. Ver Fig. 3. Una pequea porcin de la corriente de la armadura del alternador se hace llegar a cuatro diodos que rectifican la CA y alimentan de CD al campo del excitador. Estos cuatro diodos son generalmente parte del regulador de voltaje automtico. Algunos tipos de circuitos censores monitorean la salida de voltaje del alternador, y en dependencia de si el voltaje es muy alto o muy bajo, controlan la cantidad de corriente que es rectificada utilizando diodos controlables especiales llamados tiristores. A medida que la salida de voltaje aumenta, los rectificadores permitirn menos flujo de corriente en el campo del excitador. Si el voltaje cae, ms corriente se har circular dentro del campo del excitador.


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Autocomprobacin 3 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. El flujo en el campo es controlado por:

a) El tipo de hierro del campo. b) El rea de la seccin transversal de los devanados de campo. c) La corriente en el campo. d) El nmero de vueltas en los devanados de campo.

2. En un sistema de excitacin sin escobillas la salida est conectada al campo del alternador

a travs de:

a) Los anillos deslizantes. b) Los diodos. c) Un colector. d) Por induccin.

3. Cules de los siguientes elementos estn montados en un eje comn en el sistema de

excitacin sin escobillas?

a) La armadura del alternador y el rotor del excitador. b) El campo del excitador, el rectificador rotatorio y el campo del alternador. c) El estator del alternador y el campo del excitador. d) El rotor del alternador, los diodos rotatorios y la armadura del excitador.

4. Los reguladores de voltaje controlan:

a) La velocidad del alternador. b) El voltaje de salida del alternador. c) La polaridad del excitador. d) El factor de potencia del excitador.

5. Los reguladores de voltaje actan sobre:

a) El campo del excitador. b) El campo del alternador. c) La armadura del alternador. d) La armadura del excitador.


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Respuestas a las preguntas de autocomprobacin

Autocomprobacin 1: 1. V 2. V 3. F

Autocomprobacin 2: 1. e 2. b 3. c 4. a 5. d 6. c

Autocomprobacin 3: 1. c 2. b 3. d 4. b 5. a


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Tema 3: Funcionamiento en paralelo de alternadores La mayora de los alternadores funcionan en paralelo con otros alternadores para formar un sistema de gran potencia. Cada alternador en el sistema debe suministrar la cantidad necesaria de potencia al voltaje y frecuencia deseados an bajo condiciones adversas y cambios excesivos de la demanda del sistema. Establecer cmo los alternadores se sincronizan o se conectan en paralelo El sincronismo y el paralelismo se realizan por varias razones. Puede existir un aumento del requerimiento de carga o un alternador puede necesitar reparacin, o simplemente es necesario dar mantenimiento a su motor primario. Del mismo modo, utilizando varios alternadores de menor tamao permite un funcionamiento ms eficiente ante fluctuaciones de la carga. Los alternadores pueden ser sincronizados con toda seguridad solo cuando: 1. Posean la misma secuencia de fase. 2. El voltaje en sus terminales sea el mismo. 3. Sus frecuencias sean prcticamente las mismas. 4. Cada fasor de voltaje correspondiente coincida en fase. Cuando se cumplen las cuatro condiciones precedentes al sincronismo, los alternadores pueden conectarse en paralelo. El procedimiento que sigue describe cmo lograr las condiciones necesarias para poder cerrar el interruptor de sincronismo. No obstante, durante la conexin generalmente fluye alguna energa entre las mquinas. La energa de sincronizacin es la energa transferida de un alternador a otro por medio de la corriente de sincronizacin. Esta es suministrada por el alternador gua a aquel que queda retrasado. Debido al flujo de la corriente de sincronismo, se produce una accin de motor en la mquina retrasada provocando que esta avance y entre en sincronismo, sin embargo esta corriente acta como una carga del alternador gua reduciendo su velocidad. Si los alternadores tratasen en algn momento de salir de sincronismo, esta corriente de sincronismo (la accin resultante de motor y la accin de la carga) los ayudarn a mantenerse en sincronismo. Sincronizacin de los alternadores Como ya mencionamos, existen cuatro condiciones necesarias para garantizar que el alternador entrante est en sincronismo con el alternador en marcha o con el sistema. Ellas son: 1. Los alternadores deben tener la misma secuencia de fase La secuencia de fase del alternador entrante debe coincidir con la mquina en marcha. En otras palabras, la polaridad de los voltajes deben estar en la misma direccin con relacin al tiempo. Sin embargo la direccin de la FEM en un alternador se invierte muchas veces en un segundo y el voltmetro colocado en sus terminales no muestra su polaridad ya que muestra solo valores efectivos de CA. Por lo tanto, deben tener su secuencia de fase comprobada. Una vez que esto se logra, no ser necesario que se repita al menos que se cambien las conexiones elctricas. El mtodo utilizado con ms frecuencia para comprobar la secuencia de


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fases es conocido como el mtodo de las tres lmparas oscuras como se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4: Mtodo de las tres lmparas oscuras.

Observemos las tres lmparas. El alternador entrante (a ser sincronizado) est funcionando con voltaje y frecuencia aproximadamente correctos. Si las lmparas no se oscurecen juntas tenemos una secuencia de fase incorrecta, lo que significa que dos fases estn cruzadas. Cambiemos cualquier par de las lneas entrantes. Una consideracin importante a la hora de hacer esta prueba es que las lmparas utilizadas deben soportar el doble del valor del voltaje de fase del alternador. Cuando los alternadores estn en oposicin de fase (a 180) el voltaje en las lmparas ser EP * 2.

2. El voltaje en los terminales de los alternadores debe ser el mismo El valor del voltaje puede determinarse con voltmetros conectados en los terminales del alternador. 3. Los alternadores deben tener la misma frecuencia Los alternadores deben ser llevados a la velocidad que producir la frecuencia rotacional correcta. Por ejemplo, un alternador de 4 polos movido a 1800 rpm puede ser operado en paralelo con un alternador de 6 polos movido a 1200 rpm y con un alternador de 2 polos movido a 3600 rpm. Cada uno genera una FEM de 60 ciclos y por tanto, se pueden conectar en paralelo juntos. Es provechoso tener la mquina entrante funcionando ligeramente ms rpido que la mquina en lnea, ya que es preferible para ella disminuir la velocidad que acelerar para entrar en sincronismo. Si funciona ms rpido puede asumir alguna carga. Si funciona ms lento, se convertir en carga. 4. El voltaje de los alternadores debe tener la misma posicin de fase El ltimo paso del procedimiento de sincronismo es garantizar que el voltaje del alternador entrante est en la correcta posicin de fase (posicin en tiempo) con el voltaje de lnea. La figura 5 muestra el diagrama de fase para dos alternadores. El primero est en oposicin de fase (a 180). El otro est en la posicin correcta para cerrar el interruptor de sincronismo.


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Fig. 5: Diagrama fasorial de sincronismo.

Existen dos mtodos de sincronismo que se utilizan con mayor frecuencia: 1. Mtodo de dos lmparas brillantes y una oscura. 2. El uso de un sincronoscopio. La descripcin del primer mtodo aparece a continuacin. 1. Las conexiones del mtodo de dos lmparas brillantes y una oscura aparecen en la Fig. 6.

La lmpara conectada de A1 a A2 estar oscura cuando las lmparas de B1 a C2 y de C1 a B2 estn brillantes. En este punto podr cerrarse el interruptor de sincronismo para sincronizar el alternador. Un inconveniente de este mtodo es que las lmparas estarn oscuras un cierto intervalo de tiempo, desde varios grados antes del punto de sincronismo hasta varios grados despus del mismo. Esto ocurre porque se necesita cierto valor mnimo de voltaje para hacer que las lmparas enciendan. Por lo tanto, se necesita medir el tiempo que demoran las lmparas en pasar del estado brillante a oscuro y dividir este tiempo entre 2 para hallar el punto del sincronismo real que es cuando puede cerrarse el interruptor de sincronismo.

Fig. 6: Mtodo de 2 lmparas brillantes, 1 oscura.


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2. Actualmente, en la mayora de las plantas generadoras se utiliza un sincronoscopio cuando se conectan alternadores en paralelo. La fig. 7 (a y b) muestra esquemticamente el dial del sincronoscopio y sus terminales.

Fig. 7: Conexiones de un sincronoscopio con y sin TP. El sincronoscopio es un instrumento que indica la frecuencia y la posicin de la fase y se utiliza para determinar cundo debe cerrarse el interruptor del alternador entrante. El sincronoscopio muestra tambin si el alternador est funcionando ms rpido o ms lento respecto al otro alternador. Si la frecuencia del alternador entrante es exactamente la misma que la del alternador de la lnea, la aguja rotatoria del sincronoscopio se quedar estacionaria. Esto significa que el alternador entrante est en sincronismo. El alternador entrante generalmente deber sincronizarse (cerrando el interruptor de sincronismo) cuado la aguja se est moviendo suavemente en la direccin rpida (a favor de las manecillas del reloj) y se encuentre cerca de las 12 en punto en el dial. Una vez realizado esto, los alternadores se encuentran conectados en paralelo. Si las frecuencias de los alternadores son diferentes, la aguja rotar y su direccin indicar la relacin entre la frecuencia del alternador entrante respecto al alternador de referencia o sistema.


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De esa forma, la aguja rotar en la direccin marcada como rpido o fast (a favor de las manecillas del reloj) si la frecuencia del alternador entrante es ms alta, y despacio o slow (contrario a las manecillas del reloj) si la frecuencia del alternador entrante es ms baja. De tal modo el sincronoscopio no solo indica cundo cerrar el interruptor, sino que tambin indica la diferencia en las frecuencias, lo que nos dice que debe ajustarse la velocidad del motor primario. Cuando la posicin de las fases (fasores de voltaje) no es la correcta, aparecer un voltaje resultante. Este voltaje provocar un flujo de corriente en los devanados del estator de ambas mquinas. La corriente circulante junto con el voltaje de cada mquina generar una energa de sincronismo. La energa es producida por la mquina gua y consumida por la mquina retardada. Esto carga (frena) a la mquina gua y libera (o impulsa) la mquina retardada o lenta. Estas dos acciones tienen el efecto de corregir algunos de los errores de posicin fuera de fase.


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Autocomprobacin 1 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Enumere las cuatro condiciones importantes que deben cumplirse antes de conectar un

alternador en paralelo con el sistema.


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Explicar cmo se intercambian y se comparten las cargas La capacidad de carga de un alternador est limitada por el aumento de la temperatura en sus partes. Las prdidas en el alternador desarrollan calor, el cual se disipa al aire circundante por los ventiladores de enfriamiento o por medio del uso de gas de enfriamiento que se hace circular a travs de la mquina. Otra consideracin es la capacidad de los motores primarios. Si ellos son cargados ms all de su capacidad, ocurrir una cada de frecuencia, una cada de voltaje y problemas con el compartimiento de la carga. Transferencia de carga entre alternadores en paralelo Una vez que se ha completado el procedimiento para conectar el alternador #2 a la lnea, se dice que el mismo est esencialmente flotando. A continuacin se procede a transferir alguna parte de la demanda de potencia activa de la carga desde el alternador #1 hacia al alternador #2. En efecto, trataremos de elevar la potencia de salida del alternador #2. Para variar la potencia de salida de un alternador, es necesario variar la potencia de entrada por medio del ajuste del gobernador del motor primario. Si aumentsemos la potencia de entrada al alternador #2 sin disminuir la potencia de entrada al alternador #1, la potencia total de entrada habr aumentado. Esto dar como consecuencia un aumento en la velocidad, frecuencia y voltaje generado en ambas mquinas. Por lo tanto, debemos aumentar la potencia de entrada en el alternador #2 y simultneamente disminuir la potencia de entrada en el alternador #1 de modo que la potencia total de entrada se mantenga relativamente constante. Podemos monitorear el proceso observando todo el tiempo la frecuencia. El cambio de excitacin de ambos alternadores no tiene ningn efecto sobre cmo intercambian la carga de potencia activa. Una vez que toda la potencia activa de la carga haya sido transferida al alternador #2 por medio del proceso descrito anteriormente, el alternador #2 estar entregando toda la potencia activa demandada por la carga y la potencia de entrada hacia l ser alta. En este punto el alternador #1 no entrega potencia alguna y la potencia de entrada ser bastante baja. Sin embargo, el alternador #1 est an entregando toda la potencia reactiva y el alternador #2 no est entregado ninguna. Si en este momento el alternador #1 fuese retirado de la lnea, el alternador #2 estara obligado a llevar la potencia reactiva. El resultado sera una cada pronunciada de voltaje en los terminales del alternador #2, de la misma manera en que cambia de alimentar una carga con FP unitario a alimentar una carga con FP en atraso. Para prevenir esto, la potencia reactiva debe tambin transferirse gradualmente entre los alternadores. Si la carga tiene un factor de potencia en atraso, esta transferencia se logra aumentando la excitacin del alternador #2 y disminuyendo simultneamente la excitacin del alternador #1. Este proceso es monitoreado por medio de la observacin del voltaje de salida. Si dos alternadores estn funcionando en paralelo y se aumenta la excitacin de uno, su factor de potencia tiende a atrasarse y el factor de potencia del otro generador tiende a adelantarse.


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La corriente de salida de ambas mquinas aumenta aunque la corriente de carga no ha cambiado. La diferencia de corriente circula entre los generadores justamente de la misma manera en que circula entre una bobina y un capacitor en paralelo. Esta corriente mayor aumenta las prdidas del generador y reduce su capacidad til. Si se necesita variar el voltaje que entregan los alternadores en paralelo a la carga, esto logra por medio del ajuste simultneo de la excitacin de ambos alternadores. Por ejemplo, si el voltaje debiera incrementarse, se aumenta la excitacin de ambas mquinas. El factor de potencia de ambas mquinas se debe monitorear para que se mantengan sin cambios. Si la frecuencia del sistema debiera incrementarse, esto se logra por medio del aumento simultneo de la potencia de entrada a ambos motores primarios. La potencia activa de cada mquina se debe monitorear para garantizar que cada una de ellas contine llevando el porciento adecuado de la carga. Despus de aumentar la velocidad, debern disminuirse las excitaciones para mantener el voltaje de salida apropiado. Si dos alternadores van a estar funcionando en paralelo para compartir la carga, ellos debern compartir la carga en proporcin con sus valores nominales. Compartir carga entre alternadores sincronizados Cuando un alternador se va a conectar en paralelo con el sistema, debe llevarse a la velocidad de sincronismo (por medio del motor primario) y debe ajustarse el voltaje en sus terminales al mismo valor que el voltaje del sistema. Cuando los dos estn en paralelo (sincronizados), debe ajustarse nuevamente la potencia de entrada del motor primario para asegurar que el alternador entrante alimenta la carga que le corresponde compartir. Tambin se deber ajustar la excitacin. Puede que se requieran ajustes posteriores segn vare la carga total del sistema. En la Fig. 8, aparece la curva caracterstica de la velocidad de la carga de dos unidades generadoras. Se asume que los dos sistemas estn alimentando una carga aislada y la potencia de entrada de ambas unidades ha sido ajustada para dividir la carga en partes iguales a la misma frecuencia F2. Si la demanda de potencia activa total de la carga aumentase, la frecuencia total caera hasta F1, y los alternadores pudieran no compartir la carga de forma equitativa. En este caso, se requerir de un ajuste de la potencia de entrada de uno o de ambos motores primarios para volver a balancear la carga.


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Fig. 8: Grfico de carga contra frecuencia. Si la carga disminuyera, la frecuencia aumentara hasta el valor F3, (ver Fig. 8). En este caso, el alternador #1 puede alimentar una parte mayor de la carga que la que puede alimentar el alternador #2. Una vez ms, ser necesario un ajuste de la potencia de entrada de los motores primarios para balancear la carga. Recuerde que la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de rotacin del alternador y de esa manera la potencia de entrada de los motores primarios, y si la carga fuese reducida, la velocidad del rotor aumentara. Oscilaciones Si dos alternadores estn funcionando en paralelo y uno tiende a disminuir su velocidad y por lo tanto, la relacin de fase, el otro (segundo alternador) tendr que suministrar la potencia necesaria para mantener la estabilidad del sistema. Esto forzar al generador ms lento a recuperar sus parmetros de velocidad. Debido a este impulso, el alternador ms lento, no solo se acelerar e igualar la velocidad del primer alternador, sino que puede provocar que sobrepase la posicin de sincronismo. Esta oscilacin puede ocurrir varias veces antes de caer en la posicin exacta de sincronismo. Si se repite esta aceleracin y disminucin de la velocidad de la mquina, las oscilaciones en vez de disminuir van realmente a aumentar. Uno o incluso ambos alternadores pueden salir de sincronismo, posiblemente desconectando sus cargas y/o provocando la desconexin de toda la lnea. Para asegurarnos de que cada motor primario est funcionando a la velocidad adecuada (potencia de entrada), es necesario su monitoreo cuidadoso, para evitar las oscilaciones de los alternadores. Una de las causas de las oscilaciones es el motor primario. Si el motor primario es un motor pulsante como por ejemplo un motor de combustin interna, las mquinas tratarn continuamente de alternar la carga, y por lo tanto oscilarn. Un mtodo simple para reducir las oscilaciones es a travs del uso de un volante o de un devanado amortiguador, tambin conocido como devanado regulador. Estos devanados producen por induccin una corriente opuesta que limita la magnitud de estas oscilaciones. Los devanados amortiguadores generalmente se encuentran en la cara de los polos del rotor en casi todas las mquinas.


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Autocomprobacin 2 Cuando haya terminado de responder la autocomprobacin, compare sus respuestas con las que aparecen al final del tema. 1. Cmo puede cambiarse la carga de potencia activa del alternador #1 hacia el alternador

#2?

2. Cmo puede cambiarse la potencia reactiva del alternador #2 hacia el alternador #1?

3. Cul es la causa de que los alternadores tengan tendencia a oscilar?

4. Cmo pueden ser reducidas estas oscilaciones?


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Respuestas a las preguntas de autocomprobacin Autocomprobacin 1: 1.

a) Porque los alternadores funcionan ms eficientemente cuando estn funcionando cerca o a plena carga. Esto permite que se puedan adicionar cargas eficientemente.

b) Permite retirar la mquina para reparaciones. 2.

a) La misma secuencia de fase. b) El mismo voltaje. c) La misma frecuencia. d) La misma posicin de fase.

Autocomprobacin 2: 1. Aumentar la potencia de entrada en el #2 mientras se disminuye en el #1.

2. Aumentar la excitacin en el #1 mientras se disminuye en el #2.

3. Motores primarios pulsantes.

4. Por medio del uso de volantes y devanados amortiguadores.


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Tema 4: Operacin de una batera de GED Gobernadores automticos de motores diesel En los grupos electrgenos, conformados por un generador elctrico movido por un motor diesel, es de suma importancia el control estricto de la velocidad de giro de ambos equipos, ya que de ello depende la estabilidad de la frecuencia del voltaje generado. Para el motor diesel, la carga conectada al generador elctrico se comporta como un freno, y por tanto un aumento de sta tiende a disminuir su velocidad de giro. Mientras ms grande sea la carga conectada al generador elctrico, o lo que es lo mismo, mientras ms kilowatts estn conectados al generador, mayor ser el efecto de frenado que aparece en el eje del motor diesel. Por el contrario, una disminucin de la carga conectada trae consigo una disminucin del frenado del motor diesel y por tanto un aumento de su velocidad. Si este fenmeno no tuviera un mecanismo de correccin, ante cualquier variacin de la carga, el motor en correspondencia variara su velocidad con la consecuente modificacin de la frecuencia y magnitud del voltaje generado. Por tal motivo, es imprescindible un mecanismo de regulacin automtica que ante una variacin de la carga conectada al generador elctrico mantenga la velocidad del motor diesel, ya sea aumentando o disminuyendo la inyeccin de combustible. Este mecanismo se conoce como gobernador automtico del motor diesel, y su funcin es mantener constante la velocidad del motor ante variaciones de carga. Los gobernadores toman una muestra de la velocidad del eje del motor y ante cualquier variacin del valor prefijado, provocan un aumento o disminucin de la inyeccin de combustible para corregir la desviacin ocurrida. Se dice que los gobernadores automticos tienen un lazo de control con retroalimentacin negativa, ya que si la velocidad tiende a aumentar, ellos disminuyen la inyeccin y viceversa. Tipos de gobernadores Los tipos de gobernadores ms utilizados son: - Hidrulicos. - Analgicos. - Digitales. Los gobernadores digitales son los ms utilizados en la actualidad por su caracterstica de ser programables, permitir el registro de histricos y almacenamiento del estado de variables y sucesos, as como incluir en la toma de decisiones muchos ms parmetros adems de la velocidad de giro del motor. Relacin entre velocidad y carga conectada de un generador elctrico Como ya se ha explicado, la carga conectada a un generador elctrico, o lo que es lo mismo, la potencia que el generador entrega es directamente proporcional al efecto de frenado que se produce en el motor primario.


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Generador aislado Un generador aislado sin gobernador automtico y sin carga conectada tiene una velocidad determinada de giro. Ante conexiones de carga, la velocidad tiende proporcionalmente a disminuir, describiendo una lnea inclinada como se muestra a continuacin:

Los gobernadores automticos corrigen la variacin de velocidad ante variaciones de carga en diferentes grados, proporcionando con ello diferentes ngulos de cada de velocidad, que van desde el ngulo sin gobernador automtico hasta un ngulo de cero grado. Esto se conoce como ajuste de cada de velocidad, que no es ms que el establecimiento de una grfica de velocidad contra carga conectada con un ngulo determinado respecto a la horizontal. Cuando este ngulo es cero, el gobernador hace que el motor mantenga la misma velocidad. Este caso se conoce como iscrono. Cuando un generador tiene una cada de velocidad distinta de cero, su rgimen de funcionamiento se ajusta de tal forma que tenga su velocidad nominal cuando tenga conectada su carga nominal. En tal caso, como su caracterstica de velocidad contra carga es una lnea con una cierta inclinacin, ante disminucin de la carga conectada se elevar la velocidad por encima de la nominal, y ante incremento de la carga conectada por encima de la nominal, la velocidad caer por debajo de su valor nominal. Generadores en paralelo Cuando se conectan dos o ms generadores en paralelo como es el caso de una batera de GED o plantas de generacin trmicas, se debe tener especial atencin al ajuste de la cada de velocidad de los gobernadores automticos de cada uno de ellos, para evitar que todos respondan al mismo tiempo y con el mismo escaln de correccin de la desviacin ocurrida, pues esto traera como consecuencia funcionamiento inestable y oscilaciones del funcionamiento de la batera por encima y por debajo de la velocidad de ajuste correspondiente a la frecuencia nominal. Por esto, a uno de ellos se ajusta su gobernador con cada de velocidad cero y al resto se les ajusta un cierto ngulo diferente de cero.


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Esto visto desde otra ptica puede interpretarse como un ajuste diferente en cuanto a cun rpido se responde ante una variacin de carga. En tal caso, solo el generador iscrono (o la planta generadora que lleva la frecuencia) responder a la variacin de carga corrigiendo su desviacin antes de que lo haga el resto de los generadores. Si la variacin de carga es muy significativa y va ms all del rango de regulacin del generador iscrono, entonces le toca el turno al resto de los generadores para ayudar a corregir la desviacin ocurrida. A pesar de que estos generadores tienen un ajuste de cada de velocidad diferente de cero, es decir, la lnea no es horizontal, ante variaciones de la carga no se produce una variacin en la velocidad de giro del rotor (y por ende en la frecuencia) debido a que como estn sincronizados, ambos parmetros estn fijos por el rgimen de trabajo en paralelo con las dems mquinas. Lo que sucede es que el gobernador de estos generadores acta de tal forma que mueve el rgimen de trabajo a otra lnea paralela, como se muestra en la siguiente figura:

El generador iscrono se le conoce como generador lder o gua y es el que lleva la frecuencia, es decir, ajusta la velocidad ante variaciones de carga dentro del rango especificado. En el caso especfico de una batera MTU, la mquina lder se ajusta con un intervalo de regulacin de carga, que no es ms que dos valores de ajuste de potencia, un lmite inferior y uno superior. El resto se los GED trabajan a carga o generacin fija. Si la variacin de carga se sale de los lmites de la mquina lder, entonces la automtica conecta o desconecta un GED, en lugar de variar la potencia entregada de los ya conectados. Un ejemplo de cmo se comporta el funcionamiento en paralelo de generadores ante variaciones de carga se muestra en la figura siguiente:


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En el ejemplo del grfico anterior, existen varios generadores conectados en paralelo de 1000 kW cada uno de ellos, con un generador lder de mayor potencia y con una reserva (rango de variacin de potencia) de 1000 kW. Desde las 8 am hasta las 6 pm, existen dos generadores y el lder conectados en paralelo. Los dos primeros generadores asumen la porcin de la carga comprendida en las zonas A y B, y el generador lder trabaja en la zona C respondiendo ante las variaciones de carga. A las 6 pm no existe reserva de potencia en el generador lder y por tanto se conecta otro generador en paralelo. Entonces desde las 6 pm hasta las 10 pm el tercer generador asume la porcin de la carga de la zona C y el lder entonces trabaja en la zona D. A las 10 pm cae la carga conectada por debajo del lmite inferior del generador lder, por lo que se desconecta un generador. Entonces desde las 10 pm hasta la 1 am vuelven a trabajar slo dos generadores a potencia fija en las zonas A y B y el lder trabaja otra vez en la zona C. A la 1 am vuelve a ser necesario desconectar otro generador. Entonces hasta las 6 am solo est en operacin un generador en paralelo con el lder. El primero asume la carga de la zona A y el segundo las variaciones de la carga de la zona B. Todo este proceso contina con conexiones y desconexiones de generadores con potencia constante en dependencia del comportamiento de la curva de demanda elctrica y el generador lder siempre asumiendo las variaciones de la carga conectada. Regmenes de funcionamiento de una batera de GED Para el funcionamiento de la batera, cada GED debe tener la llave de modo en la posicin AUTOMATICO. La batera de GED puede funcionar en dos modos: PARALELO e ISLA. Modo PARALELO: En modo paralelo, la batera trabaja con carga constante (inyeccin fija). A cada grupo se le fija el valor de potencia a generar (acordado el 80 % de la potencia nominal).


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Antes de conectar la batera en modo PARALELO, el despacho informa el valor de la potencia a entregar por la batera. Este valor se ajusta en la computadora con el SCADA (setpoint). Luego se cierra el interruptor totalizador para calentar la barra de 13 kV y se van arrancando y sincronizando cada GED en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos y entregando la potencia prefijada en cada uno de antemano hasta completar la potencia solicitada. Modo ISLA: En modo isla, la batera alimenta un sector de consumidores y debe asimilar las variaciones de carga del mismo, para lo cual se designa un GED como mquina lder que realizar las operaciones de regulacin de la frecuencia ante variaciones de carga dentro de un rango determinado. La designacin de la mquina lder la realiza la automtica y generalmente es la mquina #1. Si dentro del esquema de arranque no est contemplada la mquina #1, entonces se selecciona la 2 y as sucesivamente. A la mquina lder se le prefijarn en su AGC (gobernador automtico) lo siguiente: - El valor del punto de potencia disponible por debajo del cual la automtica decide arrancar

otro GE. - El tiempo luego del cual se realiza el punto anterior. - El valor del punto de potencia disponible por encima del cual la automtica decide parar un

GE. - El tiempo luego del cual se realiza el punto anterior. El intervalo de potencia entre ambos puntos se conoce como reserva de potencia, y generalmente es de 1.2 MW. Es dentro de este intervalo de potencia que la mquina lder asumir las variaciones de carga. Si las variaciones de carga sobrepasan dichos valores de ajuste (de potencia y tiempo), entonces el SCADA de la batera determina qu GED conectar o desconectar, en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos. Antes de conectar la batera en modo ISLA, el despacho informa el valor de la carga a alimentar. El interruptor totalizador debe estar abierto. Todos los GED reciben orden de arranque y se van conectando (sincronizando) a la barra de 13 kV en dependencia de las horas de trabajo de cada uno de ellos y hasta alcanzar la potencia solicitada por el despacho ms el valor de la reserva de potencia. Los GED que puedan quedar sin sincronizar a la barra de 13 kV permanecen an en funcionamiento. Si cuando se cierra el interruptor totalizador, la carga conectada no es superior a la prevista, luego del tiempo prefijado los GED en funcionamiento sin conexin a la barra de 13 kV se detienen. Si la carga conectada se incrementa por encima del valor previsto entonces se irn sincronizando GEDs en dependencia de la potencia necesaria.


Generadores de CATema 1: Generacin de corriente alterna (CA).Describir la generacin de corriente alterna (CA) y establecAutocomprobacin 1Tema 2: AlternadoresExplicar las diferencias bsicas entre un alternador y un geAutocomprobacin 1Enunciar las razones para el uso de campos rotatorios y descAutocomprobacin 2Describir cmo se energiza el campo y cmo se regula la saliAutocomprobacin 3Respuestas a las preguntas de autocomprobacinTema 3: Funcionamiento en paralelo de alternadoresEstablecer cmo los alternadores se sincronizan o se conectaAutocomprobacin 1Explicar cmo se intercambian y se comparten las cargas

Autocomprobacin 2Respuestas a las preguntas de autocomprobacinTema 4: Operacin de una batera de GED

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