DETERMINACIÓN DE LA CARTA DE OPERACIÓN DE UN GENERADOR SINCRONO MEDIANTE PRUEBAS DE CAMPO Y DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA Gerson La Torre García DETERMINACIÓN DE LA CARTA DE OPERACIÓN DE UN GENERADOR SINCRONO MEDIANTE PRUEBAS DE CAMPO Y DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA Primera edición digital Julio, 2011 Lima - Perú © Gerson La Torre García PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0139 Editor: Víctor López Guzmán http://www.guzlop-editoras.com/ guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster 428 4071 - 999 921 348 Lima - Perú PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: • su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), • su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), • su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), • su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), • su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: • Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. • Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. • Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. • El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. • El p e r s o n a l d o c e n t e j u g a r á u n r o l d e t u t o r, f a c i l i t a d o r y c o n d u c t o r d e p r o y e c t o s de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. • Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: • Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. • Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 “El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor Memorias - XVII CONIMERA Determinación de la carta de operación de un generador sincrono mediante pruebas de campo y diseño asistido por computadora Ing. Gerson La Torre García - CIP 41816 EGASA Arequipa – Perú glatorre@egasa.com.pe Resumen.- La habilidad de producir energía eléctrica de un generador en estado estacionario queda limitada principalmente por el calentamiento del devanado de armadura, del devanado de campo, de la capacidad del motor primo y de las restricciones operativas del sistema. Estos límites se pueden mostrar gráficamente a través de la carta de operación del generador. El presente trabajo trata sobre la determinación de la carta de operación de un generador síncrono de polos salientes en base a pruebas de campo, métodos prácticos de construcción de las curvas de capacidad, datos técnicos de la unidad generadora y mediante la ayuda de un software especialmente elaborado para tal fin que nos permite el diseño a escala de la carta de operación. La metodología empleada ha sido practicada en hidrogeneradores en lo referente a las pruebas de campo, sin embargo estas pueden ser fácilmente aplicables a generadores síncronos de polos lisos o polos salientes con diferentes motores primos. 1. Introducción El trabajo detalla la metodología empleada en centrales hidroeléctricas para la determinación de las cartas de operación de sus unidades. En el punto tres del presente trabajo se exponen las bases teóricas donde se muestra la carta de operación y su interpretación para la operación segura de la unidad, luego se indica la metodología para encontrar los limites de operación del generador. En caso que se requieran encontrar los parámetros del generador para poder graficar la carta de operación y comprobar los límites en función de las condiciones operativas de la planta; se definen las pruebas de campo a realizar. Finalmente se muestra el diseño de las cartas de operación mediante el uso de un software especialmente elaborado para este fin. tomar decisiones en cuanto al grado de repotenciación que se puede efectuar en la máquina. Existen unidades generadoras en las empresas peruanas que están en servicio hace más de cuarenta años y gran parte de la información de la unidad generador-turbina entregada por el fabricante no ha sido suficiente o se ha extraviado en el tiempo. Con el paso del tiempo las capacidades nominales de las máquinas pueden cambiar por razones de renovación o normal deterioro. Asimismo, las curvas de capacidad de reactivos entregadas por el fabricante, están en función de los parámetros de diseño de las máquinas y no consideran la planta y las condiciones de los sistemas de operación como factores limitantes. 3. 2. Propuesta de solución Planteamiento del problema Las cartas de operación de un generador, son gráficas que determinan la región de operación estable de una maquina; por tal razón, es muy importante que todas las salas de despacho de energía tengan esta información para las operaciones diarias de la unidad generadora en el sistema de potencia. Así mismo, estas cartas nos proporcionan información de los límites de operatividad de la unidad generadora, que permiten Lo anteriormente expuesto genera la necesidad de actualizar estas curvas a las nuevas condiciones operativas de las unidades generadoras; realizando pruebas de campo en las unidades para la obtención de los parámetros que pudieran faltar y así elaborar la carta de operación. A continuación se expone una breve interpretación de la carta de operación para luego definir la metodología a seguir. 151 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica 3.1 Interpretación de la carta de operación En la fig. 1, se observa una carta de operación de un generador síncrono, en el podemos ver que la intersección de los límites de operación determinan la región sobre la cual la máquina opera en forma confiable y segura, así mismo, dentro de esta región podemos determinar un área de operación óptima del generador limitada por el ángulo de factor de potencia. Básicamente los límites de operación se representan por cinco curvas que son las siguientes: • • • • • Corriente máxima del estator. Potencia máxima del motor primo. Corriente máxima de excitación. Corriente mínima de excitación. Límite de estabilidad En esta carta de operación se puede determinar las diferentes combinaciones de potencia activa y reactiva que pueden ser producidos por el generador a diferentes factores de potencia y ángulos de torque. La potencia reactiva positiva es suministrada por el generador y es la zona de sobrexcitación donde el generador funciona con factor de potencia inductivo mientras que la potencia reactiva negativa es alimentada dentro del generador desde el sistema de potencia y es la zona de subexcitación donde el generador trabaja con factor de potencia capacitivo. Por ejemplo, debido a la presencia del límite de corriente de excitación en la zona de sobrexcitación no podemos mantener la misma potencia aparente a un factor de potencia inductivo más bajo. Al acercarse el punto de operación a este límite, se producirá un aumento de temperatura en el bobinado del rotor; por lo expuesto, podemos concluir que la capacidad de generación de la unidad es reducida para un bajo factor de potencia en retraso. En la zona subexcitada una corriente de excitación muy baja puede hacer que la unidad salga fuera de paso debido a la pérdida de torque magnético, también si el generador sufriera una disminución de la corriente de campo el generador seguiría entregando potencia activa debido a la potencia de la turbina, pero absorbería del sistema potencia reactiva para mantener la excitación, este evento puede producir un sobrecalentamiento en el hierro del estator. Como se puede ver una correcta lectura de las Cartas de Operación nos permite determinar el sistema de protección adecuado para la unidad que asegure el trabajo dentro de los límites permisibles de operación. POTENCIA ACTIVA - P Lím ite m áxim o de corriente del estator Lím ite m áxim o de la turbina M edida en bornes del generador P unto de factor de potencia nom inal L ím ite teó rico d e estab ilid ad L ím ite p ráctico d e estab ilid ad REGIÓN OPTIMA DE OPERACIÓN Lím ite m áxim o de la corriente de excitación C írculo de reaccion corriente de excitación cero Lím ite m ínim o de la corriente de excitación V 2 /X q V 2 /X d POTENCIA REACTIVA - Q Fig. 1: Carta de operación un generador síncrono de polos salientes 152 Memorias - XVII CONIMERA unidad generadora podemos tomar como límite la potencia efectiva del generador 3.2 Metodología 3.2.1 Determinación de la corriente máxima del estator La corriente en el devanado del estator produce una elevación de la temperatura del conductor y su ambiente circundante, sin embargo, a pesar de la presencia de los sistemas de enfriamiento del generador, existe una corriente máxima (Iamax) que si se excede provocará que la temperatura de los devanados del estator alcance niveles altos suficientes para dañar el sistema de aislamiento de la máquina. En muchos casos para establecer la carta de operación es conveniente considerar la corriente máxima del estator como la corriente nominal establecida en el dato de placa del generador. Entonces: Iamax = Inom Ec. 1 Gráficamente esta curva se representa por una semicircunferencia de radio igual al valor de la potencia nominal Fig.3.- Límite de la potencia máxima del motor primo. 3.2.3 Determinación de la corriente de excitación máxima y mínima en generadores de polos lisos La fuerza electromotriz (FEM) inducida en el estator está limitada por la corriente de excitación que se encuentra restringida por el calentamiento del devanado del rotor o por características propias de la excitatriz. El lugar geométrico de estos límites máximo y mínimo para un generador síncrono de polos lisos se puede encontrar utilizando las ecuaciones de potencia específicas para el generador que se originan a partir del diagrama fasorial que se muestra en la fig. 4. Ef I a Xs Fig. 2.- Lugar geométrico de la corriente máxima del estator I a Xs cos Va o I a Xs sen Ia 3.2.2 Determinación de la potencia del motor máximo Este límite esta determinado por la capacidad de la máquina motriz (Turbina) debido a limitaciones propias de fabricación, el cual le impide entregar más que cierta cantidad de potencia máxima. El lugar geométrico de este límite se representa mediante una recta paralela al eje Q, a una distancia de magnitud igual a la potencia máxima de la turbina. En la Fig. 3 podemos observar como este lugar geométrico limita la potencia activa que puede entregar el generador. Al determinar la carta de operación para una Fig. 4.- Diagrama fasorial simplificado de un generador de polos lisos Del diagrama fasorial podremos encontrar la siguiente igualdad Ia ⋅ Xs ⋅ Cos φ = Ef ⋅ Sen δ Ec. 2 Luego: P ⋅ Xs = Va ⋅ Ef ⋅ Senδ Va ⋅ Ef ⋅ Senδ P1φ = Xs Ec. 3 Ec. 4 153 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica De la misma manera: Ia ⋅ Xs ⋅ Senφ + Va = Ef ⋅ Cosδ Ec. 5 Luego: Q ⋅ Xs = Va ⋅ Ef ⋅ Cosδ − Va 2 Q1φ = Ec. 6 Va ⋅ Ef ⋅ Cosδ Va 2 − Xs Xs Ec. 7 Operando las ecuaciones Ec. 04 y Ec. 07 para una potencia trifásica se obtiene la siguiente expresión: Va 2 P3φ + Q3φ + 3 ⋅ Xs 2 2 2 Ef ⋅ Va = 9 ⋅ Ec. 8 Xs Esta ecuación representa una circunferencia con centro en: Po = 0 y Q0 = −3⋅ Va 2 Xs Ec. 9 Y con radio igual a: r = 3⋅ Ef ⋅ Va Xs entre el punto (–3V a 2 /Xs, 0) y el origen de coordenadas; esta distancia corresponde a la excitación donde la FEM inducida es igual a la tensión nominal (Ef = Vn) para un ángulo de torque igual a cero (δ = 0). El valor de la distancia obtenida en centímetros del paso anterior corresponde al equivalente de la corriente de excitación que induce aquella FEM. Asimismo, a partir de la curva de vacío se puede determinar la corriente de excitación que induce en la armadura una FEM igual al valor de la tensión nominal. Con estos datos podemos encontrar el radio de la corriente de excitación máxima a partir de la siguiente relación: Iexc (Ef = Vn) [A] = Iexc (Ef = Vn) [cm] = AO [cm] I exc max [A] Iexc max [cm] AB [cm] Ec. 12 Con el equivalente en centímetros de la corriente de excitación máxima (AB), se determina el radio de la circunferencia de excitación constante máxima (ver fig. 6). Ec. 10 Entonces el límite por corriente de excitación máxima en un generador de polos lisos será cuando: Ef = Efmax Ec. 11 La fig. 5 muestra el lugar geométrico para este límite. Fig. 6.- Construcción del lugar geométrico del límite de la corriente máxima de excitación para generadores de polos lisos La excitatriz del generador es una máquina de corriente continua, siendo imposible anular los flujos residuales (magnetismo remanente); por eso, aunque se anule la excitación siempre habrá una FEM mínima inducida para contrarrestar esos flujos residuales. Fig. 5.- Lugar geométrico de la corriente máxima de excitación para un generador de polos lisos En la práctica la determinación de la corriente máxima de excitación se podrá encontrar a través de relaciones apoyadas en los resultados de la prueba de vacío. Para determinar el radio de la semicircunferencia, se deberá medir la distancia 154 Fig. 7.- Construcción del lugar geométrico del límite de la corriente mínima de excitación para generadores de polos lisos. Memorias - XVII CONIMERA En la práctica cuando no se conoce el valor de la corriente mínima de excitación, se estima entre un 5 a 10% de la corriente de excitación máxima permisible (ver fig. 7). entre los puntos: (-3Va2/Xq, 0) y (-3Va2/Xd, 0), esta semicircunferencia corresponde a los puntos donde la excitación es cero, a partir de la cual la excitación del campo comenzara a aumentar. 3.2.4 Determinación de la corriente de excitación máxima y mínima en generadores de polos salientes Luego se mide la distancia comprendida entre los puntos de (-3V a 2 /Xd, 0) y el origen de coordenadas, esta distancia es la que corresponde a la excitación donde la FEM Inducida es igual a la tensión nominal con un ángulo de torque igual a cero. El lugar geométrico para determinar los límites máximo y mínimo de excitación de un generador síncrono de polos salientes, se obtiene en forma similar al caso anterior, a partir del diagrama fasorial simplificado (ver Fig. 8) y de las ecuaciones de potencia específicas propias para este tipo de generador. El valor de la distancia obtenida corresponde al equivalente de la corriente de excitación que es inducida por la FEM. A partir de la curva de vacío determinamos la corriente de excitación que induce en la armadura una FEM igual al valor de la tensión nominal. Con estos datos podemos encontrar el radio de la corriente máxima de excitación a partir de la siguiente relación: Fig. 8.- Diagrama fasorial simplificado de un generador de polos salientes. Iexc(Ef=Vn) {A} = Iexc (Ef = Vn) {cm} = AO(cm) Iexc max {A} Iexc max {cm} AB(cm) Donde: Ec. 17 Va⋅ Ef 1 1 + − ⋅ cos(δ ) ⋅Va2 ⋅ sen(δ ) P3φ = 3 Xd Xq Xd Ec. 13 Q3φ + 3 ⋅ Va ⋅ Ef 1 Va 2 1 = 3 + − ⋅ cos(δ ) ⋅ Va 2 ⋅ cos(δ ) Xq Xd Xq Xd Ec. 14 Con el equivalente en centímetros de la corriente máxima de excitación se determina el radio del limacon que se grafica variando el ángulo de torque y manteniendo el trazo AB constante en magnitud, es decir, desplazar el punto A sobre la circunferencia tal como se puede apreciar en la fig. 9. Transformando a coordenadas polares: Va ⋅ Ef 1 1 ⋅ cos(δ ) ⋅Va 2 Ec. 15 r = 3⋅ + − Xq Xd Xd Obteniéndose la ecuación del limacon de Pascal: 2 P3φ 2 Va 2 = r 2 + Q3φ + 3 ⋅ Xq Ec. 16 Sin embargo igual al caso anterior, al no poder contar con el valor de la tensión inducida (FEM), se procede mediante un método práctico a encontrar el límite por corriente máxima de excitación. Primero se grafica una semicircunferencia donde los extremos del diámetro se encuentra Fig. 9.- Construcción del lugar geométrico del límite de la corriente máxima de excitación para generadores de polos salientes En la práctica cuando no se conoce el valor de la corriente mínima de excitación se estima como un 5 a 10% de la corriente máxima de excitación y se procede en forma similar al caso anterior (Ver Fig. 10). 155 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica 3.2.6 Determinación del límite de estabilidad en generadores de polos salientes A partir de la Ec. 132 se puede graficar la característica potencia-ángulo. En la Fig. 12 se observa que el primer término es el mismo que se obtiene para una máquina de rotor cilíndrico, mientras que el segundo término introduce el efecto de los polos salientes, este término es la potencia que corresponde al par de reluctancia, nótese que el par de reluctancia es independiente de la excitación de campo. Fig. 10.- Construcción del lugar geométrico del límite de la corriente mínima de excitación para Generadores de polos salientes. 3.2.5 Determinación del límite de estabilidad en generadores de polos lisos La potencia producida por un generador síncrono también depende del ángulo de torque (δ) definido entre la tensión en bornes del generador y la FEM inducida, según se muestra en la Ec. 4. La potencia máxima que puede suministrar el generador corresponde a un δ = 90°. Normalmente los generadores no se acercan a este límite siendo los ángulos típicos de torque entre 15 a 20º a plena carga. Volviendo a las cartas de operación, este límite teórico corresponde a una línea paralela al eje de la potencia activa en el punto (-3Va2/Xs, 0). El límite práctico de estabilidad se obtiene trazando circunferencias para diferentes valores de potencia, luego a partir de la intercepción de estas circunferencias con el límite de estabilidad teórico, se decrementa cada potencia máxima en un 10 a 20% de la potencia activa nominal. Los puntos obtenidos se trasladan horizontalmente, hasta interceptar con la circunferencia correspondiente. El lugar geométrico resultante de la unión de los puntos corresponde al límite de estabilidad permanente práctico (ver Fig. 11). Fig. 12.- Curvas característica Potencia-Angulo En la Fig. 13 a partir del punto (–3Va2/Xq, 0) se trazan líneas rectas a diferentes ángulos. Los puntos de intersección de estas líneas rectas con la circunferencia de reacción de armadura se trasladan, horizontalmente, hasta interceptar a la misma circunferencia en su otro extremo. Los nuevos puntos de intersección se trasladan, verticalmente, hacia la intersección con su línea recta correspondiente, la unión de estos puntos corresponde al lugar geométrico del límite teórico de estabilidad. Fig 13.- Límite de estabilidad en generadores de polos salientes Fig 11.- Límite de estabilidad en generadores de polos lisos 156 Se fija un límite de seguridad disminuyendo él limite teórico entre un 10% a 20% de la potencia nominal, entonces, se grafican limacones para distintos valores de Ef; desde el punto de Memorias - XVII CONIMERA intersección entre el límite de estabilidad teórico y los limacones se grafica una línea vertical con la disminución porcentual fijada, luego se traslada este punto horizontalmente, hasta interceptar el limacon correspondiente, se procede de la misma manera con los otros limacones. Finalmente la unión de los puntos resultantes generan el límite práctico de estabilidad. 3.2.7 Ensayos de vacío y corto circuito Mediante estas dos pruebas ampliamente conocidas es posible encontrar la reactancia síncrona no satura en el eje directo (Xd) La diferencia de velocidad entre el campo giratorio y la velocidad del rotor da lugar a que los ejes del campo de inducido coincidan con los campos inductores o estén en cuadratura con estos. A medida que los polos del rotor se deslizan lentamente entre los consiguientes polos producidos por la corriente del estator los dos juegos de polos estarán alternativamente en línea y en cuadratura espacial. Cuando están en línea la fuerza magnetomotriz (FMM) generada actúa sobre el circuito magnético principal y en ese instante la tensión aplicada al estator dividida por la corriente del estator será igual a Xd. En el instante que los dos juegos de polos están en cuadratura espacial la tensión aplicada al estator dividida por la correspondiente corriente del estator será igual a Xq. Fig. 14.- Curvas característica de los ensayos de Vacío y Corto circuito. A partir de la Fig. 14 podemos determinar este parámetro: Xd = Icc/Io Ec. 18 Fig 15.- Variaciones de tensión y corriente durante la prueba de deslizamiento. 3.2.8 Ensayo de deslizamiento Cuando se este trabajando con generadores de polos salientes y no se tenga el valor de la reactancia en cuadratura, es necesario encontrarla a partir de pruebas de campo. En la Fig. 15 se muestra las variaciones de la tensión y la corriente en el estator a partir de las cuales se encuentra los parámetros que buscamos de acuerdo a las siguientes ecuaciones: Xd Existen diversos métodos, siendo el ensayo de Deslizamiento el que se presenta como la mejor opción tomando en cuenta la precisión requerida, la salvaguarda de la máquina y el requerimiento de equipos para la implementación de la prueba. El ensayo de deslizamiento consiste en hacer girar el rotor a una velocidad ligeramente diferente a la velocidad síncrona, con el circuito de campo abierto y los bobinados del estator energizados con una fuente de potencia trifásica, de secuencia positiva, balanceada, a frecuencia nominal y tensión aproximadamente a un 25% de la tensión nominal. = Xq = V I max Ec. 19 min Vmin I max Ec. 20 3.2.9 Pruebas de calentamiento y capacidad de generación de reactivos Estas pruebas se realizan para comprobar que los límites encontrados teóricamente no son inferiores en ningún caso a los encontrados en las pruebas y también para determinar los alcances de mejoramiento que podrían ser realizadas en la unidad. 157 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica La prueba de calentamiento se realiza para determinar el incremento de temperatura para diferentes condiciones de carga y establecer los límites de las corrientes del estator y rotor en función de la temperatura alcanzada por la unidad. Para nuestro caso es conveniente realizar la prueba para factores de potencia cercanos al nominal con la finalidad de contrastar los límites de temperatura del rotor y estator, así como los demás componentes de la unidad. La información obtenida es el incremento de temperatura en puntos específicos de carga, este incremento de temperatura es respecto a alguna referencia; la temperatura de referencia puede ser la temperatura ambiente o temperatura de ambiente interno de la máquina y representa la temperatura inicial en la Fig.16. Fig. 16.- Curva característica de la prueba de calentamiento Las pruebas de capacidad de reactivos se realizan para la tensión mínima y máxima del generador, donde se puede definir los factores limitantes tales como los servicios auxiliares y las condiciones de operación del sistema que no permiten intensificar los reactivos de acuerdo a su curva de capacidad teórica. Según los resultados se pueden plantear mejoramientos tales como la optimización del tap de los transformadores de la central y posibles degradaciones del aislamiento del campo. diferentes condiciones de operación y permitir el planteamiento de posibles mejoras en la turbina, estator y/o rotor. El software de aplicación DiagPQ V1.1 se presenta como una herramienta útil para el desarrollo de las cartas de operación de generadores síncronos de polos salientes. El programa está desarrollado en lenguaje Visual Basic, el cual brinda las herramientas necesarias para el diseño del programa que nos permita una interacción amigable y una presentación rápida de los resultados. Fig. 17.- Ingreso de datos al programa DiagPQ Se han elaborado ventanas que permiten la interacción y el ingreso de la información en un ambiente amigable para el usuario (ver Fig. 17). El programa puede generar, abrir o guardar archivos, ingresar datos, definir escalas de visualización, impresión a escala, entre otras opciones. 3.2.10 Aplicación de software DiagPQ para la construcción de las cartas de operación Las cartas de operación se pueden realizar en un papel milimetrado a mano alzada, pero se requiere de paciencia, mucho trabajo y las gráficas pueden tener cierto grado de error, por ello, con la ayuda de un software se pude realizar la construcción de estas gráficas en forma rápida y con un alto grado de exactitud. Otra de las razones de contar con un software aplicativo es el análisis de las cartas a 158 Fig. 18.- Menú de ayuda para manejo del programa El programa cuenta con un menú de ayuda que permite guiar al usuario en el manejo del programa e información teórica para la interpretación de las cartas de operación (Ver Fig. 18). Memorias - XVII CONIMERA Una vez ingresado los datos se muestra la carta de operación, esta puede ser ajustada para mejor visualización en la pantalla. La carta se muestra en valores reales y tiene un puntero que indica en todo momento la potencia activa y reactiva dentro de la región de operación. Asimismo esta carta puede ser almacenada en un archivo con extensión «dpq» y finalmente puede ser impresa a escala según requerimiento (ver Fig. 19). operación, cumpliendo así, el objetivo para el que fue diseñado, sin embargo, adicionalmente puede emplearse para analizar el comportamiento de generadores simulando diferentes condiciones de operación y puede ser proyectado para su utilización en tiempo real. 5. Recomendaciones Este método explica la construcción de las cartas de operación en forma práctica, con lo cual no es necesario el requerimiento de un software; sin embargo si se requiere mayor precisión y análisis el software se presenta como una herramienta útil para este objetivo. La prueba de deslizamiento requiere de una fuente trifásica; si la central cuenta con más de dos unidades de generación esta fuente puede obtenerse de una de ellas y utilizar otra unidad para la prueba. Fig. 19.- Visualización de la carta de operación En base a este software actualmente se esta proyectando en EGASA introducir esta carta de operación en el sistema SCADA para la visualización en tiempo real de las cartas de operación de las unidades de la C.H. Charcani V. 4. Conclusiones Por lo expuesto se nota que es importante que las unidades de generación operen de acuerdo a su carta de operación y dentro de la región óptima para asegurar la confiabilidad y no dañar la vida útil del generador. El método explicado puede ser implementado fácilmente y a costo mínimo para obtener los límites de operación de la unidad con bastante precisión. Si se cuenta con una base de datos detallada y los protocolos de las pruebas de puesta en servicio del generador es posible construir la carta de operación sin requerir mayores pruebas en la unidad. El software de aplicación DiagPQ V 1.1, es útil para la construcción de las cartas de Para la ejecución de los ensayos de vacío, cortocircuito, deslizamiento y calentamiento es preferible seguir las recomendaciones del estándar IEEE std 115-1995 (R2002), Test Procedures For Synchronous Machines. 6. Bibliografía Sergio Avila Arancibia, Diagramas P-Q, Endesa - Chile. M.. M. Adibi y D.P. Milanicz, Reactive Capability Limitation of Synchronous Machines, IEEE Transactions on Power System, Vol 9, Nº 1, Febrero 1994. N.E. Nilsson y J. Mercurio, Synchronous Generator Capability Curve Testing and Evaluation, IEEE Transactions on Power System, Vol 9, Nº 1, Enero 1994. IEEE Std 492-1999, Guide for Operation and maintenance of hydrogenerators. IEEE Std 115-1995, Test Procedures For Synchronous Machines (Rev. 2002). A. E. Fitzgerald, Máquinas Eléctricas, McGrawHill, 1992. José Ramírez Vázquez, Máquinas de Corriente Alterna, Ediciones CEAC, 1994. Gilberto Enríquez Harper, Máquinas Síncronas, Editorial Limusa, 1983. S. A. Nasar, Máquinas Eléctricas, Editorial Continental, 1993. 159 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica ANEXO 01 DESIGNACION DE VARIABLES ADOPTADAS EN EL PRESENTE TRABAJO Símbolo Unidad Primera Ecuación Iamax Corriente máxima del estator A Ec. 1 Inom Corriente nominal del estator A Ec. 1 Ia Corriente del estator A Ec. 2 Xs Reactancia síncrona Ohm p.u. Ec. 2 φ Angulo del factor de potencia grados Ec. 2 Ef Fuerza electromotriz inducida V Ec. 2 δ Angulo de torque. Angulo de potencia grados Ec. 2 P Potencia activa W Ec. 3 Va Tensión en bornes del estator. Tensión de armadura V Ec. 3 P1φ Potencia activa monofásica W Ec. 4 Q Potencia reactiva Var Ec. 6 Q1φ Potencia reactiva monofásica Var Ec. 7 P3φ Potencia activa trifásica W Ec. 8 Q3φ Potencia reactiva trifásica Var Ec. 8 Fuerza electromotriz inducida máxima V Ec. 11 Iexc (Ef = Vn) Corriente de excitación en vacío A Ec. 12 I exc max Corriente de excitación máxima A Ec. 12 Efmax Xd Xq Icc Io Vmax Imin Vmin Imax 160 Descripción Reactancia síncrona en el eje directo Reactancia síncrona en el eje de cuadratura Corriente de corto circuito a la corriente nominal del generador Corriente de vacío a la tensión nominal del generador Tensión máxima en el estator durante la prueba de deslizamiento Corriente mínima en el estator durante la prueba de deslizamiento Tensión mínima en el estator durante la prueba de deslizamiento Corriente máxima en el estator durante la prueba de deslizamiento Ohm p.u. Ohm p.u. Ec. 13 Ec. 13 A Ec. 18 A Ec. 18 V Ec. 19 A Ec. 19 V Ec. 20 A Ec. 20 Memorias - XVII CONIMERA ANEXO 02 CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE HUINCO - GRUPO N° 01 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS CAMPO Y CARTA DE OPERACION 1.- DATOS DE PLACA GENERADOR EXCITATRIZ PRINCIPAL Marca BBC Tipo W 300/14 N° de fabricación B 66425 Año de fabricación 1964 Potencia 85 MVA Tensión 12,5 ± 5% kV Corriente Factor de potencia 3930 A 0,76 Tensión Excitación 250 V Corriente excitación 930 A Revoluciones Frecuencia Marca BBC Tipo G98B N° de fabricación Año de fabricación Potencia A 603398 1963 435 kW Tensión 305 V Corriente Revoluciones 1130 A 514 / 950 rpm 514 / 950 rpm 60 Hz 2.- PRUEBA DE VACIÓ Y CORTOCIRCUITO DESCRIPCIÓN Valores determinados a partir de las curvas características Corriente de excitación saturada para la tensión nominal Corriente de excitación no saturada para la tensión nominal Corriente de excitación para la corriente nominal del estator Valores calculados Reactancia síncrona en el eje directo saturada (p.u.) Reactancia síncrona en el eje directo no saturada (p.u.) Reactancia síncrona en el eje directo no saturada (Ohm) SIMBOLO VALOR Io (sat) Io (nsat) Icc 419,0 A 382,8 A 503,0 A Xds = Icc/Io (sat) Xd = Icc/Io (nsat) Xdr = (Vnom2/Snom)xXd 1,20 p.u. 1,32 p.u. 2,426 Ohm SIMBOLO VALOR RV = Vmin/Vmax RI = Imin/Imax 0,801 0,773 Xq/Xd = RV x RI Xq = RV x RI x Xd Xqr = (Vnom2/Snom)xXq 0,619 0,82 p.u. 1,507 Ohm 3.- PRUEBA DE DESLIZAMIENTO DESCRIPCIÓN Valores medidos Relación de tensiones del estator Relación de corrientes del estator Valores calculados Relación de reactancias síncronas Reactancia síncrona en el eje de cuadratura no saturada (p.u) Reactancia síncrona en el eje de cuadratura no saturada (ohm) 4.- PRUEBA DE CALENTAMIENTO DESCRIPCIÓN SIMBOLO VALOR Valores medidos Temperatura del bobinado estatórico a 50 % de carga (42,2 MVA) Temperatura del bobinado estatórico a 74,6 % de carga (63,4 MVA) Temperatura del bobinado estatórico a 98,9 % de carga (84,1 MVA) T1 T2 T3 63,0 °C 77,0 °C 94,5 °C Corriente de excitación a: 84,1 MVA, 12,2 kV y 0,76 de fdp Iexc 900 A Valores calculados Incremento de temperatura a potencia nominal T 42,9 °C 5.- LIMITES DE CAPACIDAD DEL GENERADOR DESCRIPCIÓN Corriente máxima de armadura Potencia máxima de turbina VALOR 3930 68 MW Máxima corriente de excitación 880 A Mínima corriente de excitación 5% Límite de estabilidad 10% PROCEDENCIA Dato de placa del generador Valor máximo medido en bornes del generador (Unidad Equipos Hidromecánicos - Noviembre 1997) Prueba de vacio y calentamiento Máxima corriente de excitación Límite teórico de estabilidad permanente 161 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica 162 Memorias - XVII CONIMERA ANEXO 03 COMPARACION DE CARTAS DE OPERACIÓN DE LA C.H. CHARCANI V Carta de operación entregada por el fabricante Carta de operación generada a partir del programa Diag PQ V1.1 163