Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos. Por: Fabián Emerson Cubillos Sánchez IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos ii Diciembre del 2004 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos. Por: Fabián Emerson Cubillos Sánchez Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: ___________________ Ing. Emilio Alpízar Villegas M.sc. Profesor Guía ___________________ Ing. Franklin Chinchilla Dr. Profesor Lector ___________________ Ing. Juan Ramón Rodríguez Lic. Profesor Lector Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos iii DEDICATORIA A mis Padres y a mi hijo, a quienes quiero y admiro. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos iv RECONOCIMIENTOS A todos los empleados de la Cía. Nacional de Fuerza y Luz, en especial al personal del Departamento Sistemas de Potencia por la disposición, paciencia y su don de gente, GRACIAS. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos v ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS .........................................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS ..........................................................................................viii NOMENCLATURA ...............................................................................................ix RESUMEN ............................................................................................................... x CAPÍTULO 1: Introducción .................................................................................. 1 1.1 1.2 Objetivos ......................................................................................................................... 2 Objetivos específicos .............................................................................................. 2 Metodología .................................................................................................................... 3 1.1.1 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico.......................................................................... 4 2.1 2.2 2.3 2.4 Generación eléctrica........................................................................................................ 4 Generalidades del Generador Sincrónico........................................................................ 5 Sistemas de excitación. ................................................................................................... 8 Tipos de Excitadoras. .................................................................................................... 11 2.4.1 Excitadoras Rotativas............................................................................................ 12 2.4.2 Excitadoras Estáticas............................................................................................. 13 CAPÍTULO 3: Sistema de Excitación Estática. ................................................. 14 3.1 Modelo del Sistema de Excitación................................................................................ 15 Elementos que conforman el Sistema de Excitación Estática............................... 16 Disposición física de los elementos que conforman el SEE. ................................ 17 3.2 Funcionamiento del Sistema de Excitación Estática..................................................... 18 3.2.1 Transformador de excitación................................................................................. 18 3.2.2 Transformadores de medición............................................................................... 18 3.2.3 Chasis de control. .................................................................................................. 19 3.2.3.1 Función de cebado o arranque............................................................................... 19 3.2.3.2 Función de sincronización y generación de las señales de disparo....................... 20 3.2.3.3 Función del regulador automático de voltaje AVR............................................... 20 3.2.4 Chasis de rectificación o excitatriz. ...................................................................... 21 3.2.5 Panel de control manual. ....................................................................................... 21 3.2.6 Ajustadores electrónicos del voltaje de referencia................................................ 22 3.2.7 Dispositivos electrónicos de control y protección. ............................................... 23 3.1.1 3.1.2 Diciembre del 2004 IE-0502 3.3 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos vi Estabilidad del Sistema de Excitación. ......................................................................... 23 3.3.1 Modelo matemático del SEE................................................................................. 26 3.3.2 Factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema generador. ................. 27 3.3.2.1 La ganancia. .......................................................................................................... 27 3.3.2.2 La red de estabilidad. ............................................................................................ 27 3.2.2.3 Constante de tiempo del campo. ........................................................................... 27 3.2.2.4 Velocidad de respuesta del gobernador................................................................. 28 CAPÍTULO 4: Pruebas de Campo. ..................................................................... 29 4.1 4.2 Verificación de la problemática. ................................................................................... 29 Comportamiento Cualitativo del Generador. ................................................................ 33 4.2.1 Voltaje de salida ante un escalón en el voltaje de excitación. CC, LA................. 34 4.2.2 Voltaje de salida ante un escalón en el voltaje de referencia. CA, LA. ................ 35 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones............................................... 38 Conclusiones. ................................................................................................................................ 38 Recomendaciones.......................................................................................................................... 40 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 41 APÉNDICES .......................................................................................................... 43 Generadores y excitadoras en las Plantas Hidroeléctricas de la C.N.F.L. .................................... 44 ANEXOS................................................................................................................. 47 Rectificación trifásica de onda completa semicontrolada con carga resistiva. ............................. 48 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos vii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Diagrama de bloques del control de voltaje........................................................ 9 Figura 2.2 Sistema de Excitación. ...................................................................................... 11 Figura 3.1 Excitación con fuente de potencia con rectificadores controlados ................... 14 Figura 3.2 Diagrama funcional de bloques y equipos del SEE. ......................................... 15 Figura 3.3 Disposición interior de equipos en el cubículo del SEE. .................................. 17 Figura 3.4 Tarjeta del regulador automático de voltaje...................................................... 25 Figura 3.5 Modelo matemático del SEE del tipo ST1........................................................ 26 Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Planta Hidroeléctrica y Subestación Electriona......... 29 Figura 4.2 Medición de la potencia en la barra de 34.5 kV de la Subestación Electriona. 30 Figura 4.3 Medición de voltaje en la barra de 34.5 kV de la Subestación Electriona........ 31 Figura 4.4 Medición de la potencia para el pico de medio día en la Sub. Electriona......... 32 Figura 4.5 Medición del voltaje para el pico del medio día en la Sub. Electriona. ............ 32 Figura 4.6 Escalón aplicado en el voltaje de campo del generador.................................... 34 Figura 4.7 Voltaje de salida del generador ante un cambio de la excitación. .................... 35 Figura 4.8 Escalón del voltaje de referencia durante el arranque....................................... 36 Figura 4.9 Voltaje del generador ante un escalón 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 ϕ < 60º ........................................................ 49 Figura A.3 Forma de la onda rectificada para ϕ > 60º ........................................................ 49 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos viii ÍNDICE DE TABLAS Tabla A.1.1 Planta: Anonos Construida: 1889 No. Generadores: 1 ................................... 44 Tabla A.1.2 Planta: Belén 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. Gutiérrez 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: Río Segundo Construida: 1895 No. Generadores: 2 ........................... 46 Tabla A.1.9 Planta: Ventanas Construida: 1944 No. Generadores: 4................................. 46 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos ix NOMENCLATURA 52 Interruptor de potencia según la nomenclatura ANSI. ARESEP Autoridad Reguladora de Servicios Públicos. AVR Regulador Automático de Voltaje, por sus siglas en ingles. AC Corriente alterna. DC Corriente directa. C.N.F.L. Compañía Nacional de Fuerza y Luz. LA Lazo Abierto. LC Lazo Cerrado. P.H. Planta Hidroeléctrica. SCR Rectificador Controlado de Silicio. SEE Sistema de excitación estática. TP Transformador de potencial. TC Transformador de corriente. var Voltio amperio reactivo. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos x RESUMEN El trabajo abarcó el estudio de los sistemas de excitación estática. La teoría comprende el desarrollo tecnológico del generador, enmarcando el proceso de excitación dentro de un sistema de generación. Se definen los tipos de excitación, las características y funciones principales, sus ventajas y desventajas. El capítulo 3, a manera de manual, detalla los elementos básicos que conforman un sistema de excitación estática e indica las principales funciones de cada uno de ellos. Parte del concepto general de un sistema de excitación, compara su diseño con los modelos estándares de la IEEE, y se sigue con la descripción particular de cada uno de los componentes, todos ellos se caracterizan dentro de un sistema de excitación específico de la marca Basler. Se finaliza el desarrollo teórico con una breve explicación del modelo matemático, la estabilidad y los factores que la afectan. Con las mediciones de campo se buscó verificar la problemática de las variaciones de voltaje y su supuesta relación con la generación de reactivo. Se concluyo que son los generadores de mayor tamaño los que aportan significativamente reactivo al sistema y no pequeños 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 operación de los generadores se presentan en procesos transitorios, como es la sincronización de la máquina con el sistema, y no están 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. Además de un estudio de calidad de la energía para las variaciones de voltaje. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 1 CAPÍTULO 1: Introducción El objetivo principal del trabajo consistió en elaborar un documento teórico que abarcara los aspectos fundamentales de la teoría de excitación en generadores sincrónicos, basado en los fenómenos físicos y leyes matemáticas que la rigen, de manera que pueda ser utilizado como documento de consulta y apoyo para los cursos de máquinas eléctricas. El documento está dirigido para uso y comprensión de estudiantes de ingeniería, profesionales del área de generación y técnicos especializados. La C.N.F.L. utiliza sistemas de excitación estática en doce de sus veinte generadores. Un problema recurrente es la inestabilidad de las mismas, durante cortos períodos de su funcionamiento en modo automático y bajo ciertas condiciones de carga. Algunos de estos sistemas de excitación son de la marca Basler Electric, que se encuentran ubicados en las Plantas Hidroeléctricas de Electriona y Belén, en San Antonio de Belén; P.H. Nuestro Amo en la Guácima de Alajuela y en P.H. Daniel Gutiérrez en San Ramón de Alajuela. Las labores de mantenimiento han resultado en la mayoría de los casos poco efectivas, debido principalmente a lo intuitivo y empírico de dichos procedimientos. Actualmente es el interés de la C.N.F.L. la automatización de todas sus plantas hidroeléctricas. Se espera mejorar con esto la calidad de la energía producida y el servicio. Cuando la carga varía, si los generadores no detectan este cambio, producen un exceso o déficit de reactivo el cual se manifiesta como variaciones de voltaje, que se traducen en quejas de clientes sensibles a la calidad de la energía como hospitales (CIMA, C.C.S.S.) y fábricas de alta tecnología (INTEL). Diciembre del 2004 IE-0502 1.1 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 2 Objetivos - Elaborar un documento sobre la teoría de excitación en generadores sincrónicos, tomando en cuenta los principios matemáticos y físicos sobre los cuales se sustenta - Identificar las causas de la falla en operación automática, caracterizándolas en al menos uno de los casos particulares de la C.N.F.L. 1.1.1 - Objetivos específicos Caracterizar el funcionamiento de las excitadoras estáticas dentro de un sistema de generación hidroeléctrico, (incluir modelo matemático). - Elaborar un manual práctico con elementos gráficos, técnicos y matemáticos; que explique los principios de funcionamiento, y a la vez sirva como herramienta que facilite el mantenimiento de las excitadoras estáticas. - Abarcar la historia, desarrollo, estado del arte, tecnologías (tipos) de excitación, principio de funcionamiento (basado en la teoría), descripción de la operación manual y automática, ventajas y desventajas de ambos tipos de operación de las excitadoras estáticas. Diciembre del 2004 IE-0502 1.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 3 Metodología El trabajo se divide en tres partes principales. Con la finalidad de obtener la teoría que caracteriza el funcionamiento de las excitadoras estáticas; en una primera etapa de investigación se consultó fuentes bibliográficas, Internet, información técnica de fabricantes, entrevistas a técnicos e ingenieros de empresas afines a la C.N.F.L. que dan soporte técnico a estos equipos. En una segunda etapa se identificó en situ cada uno de los elementos de los modelos teóricos con sus respectivas funciones. Para esto se realizaron visitas al campo en una de las Plantas Hidroeléctricas antes mencionadas. Finalmente en la última etapa se procedió a valorar y analizar los resultados y conclusiones, lo que permitió determinar si se cumplieron los objetivos y replantear algunos de ellos. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 4 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Generación eléctrica. La generación comercial de energía eléctrica dio inicio en 1868 con la invención del generador de corriente directa (dinamo) su desarrollo toma fuerza con la invención de la bombilla eléctrica en 1881 por Edison, dando paso a la iluminación de calles, grandes fábricas, almacenes y teatros. Las empresas de generación (Edison) que habían apostado a la corriente directa se resistían a reconocer las ventajas de la generación de la corriente alterna que inicia gracias a la invención de los campos rotantes por parte de Tesla (1888) cuyas patentes cede a Westinghouse, quien pone en servicio la primera planta de generación de corriente alterna en Niágara (1895). La invención del transformador mostró las ventajas de la corriente alterna e inclinó la balanza del desarrollo de la tecnología, dando paso a un rápido desarrollo de sistemas de generación locales. Un sistema de generación está formado por una máquina motriz o primotor, el generador, la regulación y el equipo de control además de algunos dispositivos de protección. En esencia los generadores representan el corazón o la parte central de un sistema de generación. Los Generadores Sincrónicos se han convertido en las máquinas más utilizadas en la generación de energía eléctrica, su popularidad se debe a que permiten un control más 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 físicos, electromagnéticos y eléctricos. Diciembre del 2004 IE-0502 2.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 5 Generalidades del Generador Sincrónico. La generación eléctrica se basa en el principio de la “inducción electromagnética”, fenómeno que fuera descubierto en 1831 por Michael Faraday y casi simultáneamente, de forma independiente por Joseph Henry. Este principio consiste básicamente en la posibilidad de inducir una diferencia de potencial (voltaje) en un conductor que se mueve dentro de un campo magnético constante o de forma análoga en un conductor estacionario dentro de un campo variable. Si caracterizamos el campo magnético por medio de su flujo Φ: Φ= ∫ B • dA (2.2-1) A donde: B es la densidad del flujo magnético (cantidad de líneas de fuerza de campo por unidad de área) y dA es la unidad diferencial del área. Para inducir el voltaje ocupamos que el conductor corte las líneas del campo, la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la taza de cambio del flujo con relación al tiempo y esto es lo que conocemos como la Ley de Faraday: eind = − dΦ dt (2.2-2) De este modo el generador consiste en una máquina diseñada de forma tal que se cumplan con los tres elementos de la inducción electromagnética: un conductor, un flujo de campo y el movimiento relativo (variación) entre ambos, el primer generador de AC se construyó 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 técnico Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 6 para realizar configuraciones de armadura móvil y campo estacionario o campo móvil y armadura estacionaria, esta última constituye el arreglo común por varias razones: a) el campo puede ser construido para operación eficiente a alta velocidad pues es de bajo voltaje. b) Es más fácil aislar, proteger y fijar el devanado de alto voltaje de la armadura en el estator. c) Siendo más compleja la construcción del devanado de la armadura, esta se facilita cuando se realiza sobre una estructura rígida. De este modo podemos concluir que los mayores esfuerzos eléctricos suceden en el estator, mientras que los esfuerzos mecánicos más grandes se dan en el rotor. Así es posible encontrar pequeños generadores sincrónicos entre los 50 watts y 5 kilowatts que constan de una armadura giratoria y un campo inmóvil en el estator, sin embargo la convención es un campo rotativo y una armadura estática. El rotor de la máquina sincrónica puede ser de polos salientes o liso, del primer tipo se utilizan para máquinas lentas, en centrales hidroeléctricas y del segundo en las centrales termoeléctricas o turbogeneradores que operan a mayor velocidad. La mayoría de los generadores sincrónicos son trifásicos, lo que significa que cuentan con un bobinado trifásico en el estator, por otro lado las máquinas sincrónicas monofásicas son menos comunes y por lo general de poca potencia, debido a que la construcción trifásica reduce el tamaño y el costo del generador por kilovatios. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 7 El primotor suministra energía mecánica en el eje o rotor del generador para ser transformada en energía eléctrica, al tiempo que el bobinado de campo es alimentado con una corriente directa, también conocida como corriente de excitación, de este modo se produce el flujo giratorio que inducirá un voltaje en la armadura estatórica. El campo giratorio consiste en uno o varios pares de núcleos de polos laminados con bobinas de alambres embebidas alrededor de los polos para crear el campo de excitación. Este se alimenta por medio de anillos de rozamiento desde una excitadora rotativa con escobillas o una excitadora estática, o más comúnmente, una conexión directa a una excitadora rotativa sin escobillas. La magnitud del voltaje AC generado es controlada por la cantidad de la corriente directa de excitación provista al campo. Si la excitación aplicada es constante, la magnitud del voltaje podría ser controlada manipulando la velocidad del generador; sin embargo, esto implicaría una frecuencia variable y la mayoría de los usos requieren una frecuencia constante, este método de control del voltaje raramente se implementa. En su lugar se utilizan reguladores de voltaje de estado sólido o reguladores de excitación estática para controlar la corriente de excitación y así controlar de un modo más exacto el voltaje del generador. La excitación requerida es una función de la carga del generador. Cuando la carga del generador aumenta, la cantidad de excitación requerida para mantener el voltaje constante también aumenta. Las cargas reactivas con factor de potencia en atraso requieren mayor excitación que cargas con factor de potencia unitario. Las máquinas que funcionan con carga de factor de potencia en adelanto requieren menos excitación que cargas con factor de potencia unitario. Sin embargo, los generadores sincrónicos normalmente no funcionan con factor de potencia en adelanto. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 8 Una vez que la máquina está 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 través del cambio de la excitación. Cuando la excitación 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 condición de carga con factor de potencia en atraso en el generador. Si la excitación se reduce debajo del nivel normal requerido sin carga, la corriente reactiva fluye hacia la máquina dando por resultado una condición de factor de potencia en adelanto. De lo anterior se deduce que los generadores sincrónicos normalmente no funcionan con factor de potencia en adelanto. 2.3 Sistemas de excitación. La condición ideal del generador sincrónico es que provea energía eléctrica a una tensión relativamente estable. Debido a las constantes oscilaciones de la carga, se vuelve necesaria la continua regulación de la excitación. Los generadores más antiguos de pequeña reactancia de dispersión y pequeña reacción de inducido (gran entrehierro) eran en gran medida insensibles a estas variaciones. Sus modelos primitivos de excitación se accionaban manualmente por un operador experto, quien controlaba constantemente el voltaje de salida y realizaba los ajustes necesarios en el reóstato de campo de la excitadora en función de las variaciones de la carga, lo que se conoce como control de lazo abierto. Más adelante cuando se adicionó un regulador automático de voltaje (AVR) se obtuvo un sistema de control de lazo cerrado. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 9 Los sistemas de excitación han tenido un desarrollo paralelo al de los generadores, partiendo desde modelos manuales, pasando por las excitadoras mecánicas autorreguladas, también llamadas dinámicas, hasta los modernos sistemas de excitación de las últimas décadas que usan dispositivos electrónicos estáticos. En la actualidad para lograr generadores más económicos y eficientes se construyen con gran reactancia de dispersión y pequeño entrehierro, lo que equivale a una mayor reacción de inducido, estas son las llamadas maquinas blandas, en las cuales al variar la carga, la excitación debe variarse en magnitud sensiblemente superior. El objetivo principal de los sistemas de excitación es mantener el voltaje terminal a valores prácticamente constantes bajo regímenes de carga estables y también en regímenes transitorios, cuando la carga oscila lentamente, o en otros casos, instantáneamente. Figura 2.1 Diagrama de bloques del control de voltaje Las funciones básicas de un sistema de excitación son: Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos - Suministrar la corriente al devanado de campo. - Controlar los voltajes de salida en forma rápida y automática. - Contribuir a la estabilidad sincrónica del sistema de generación. 10 Los elementos principales de un sistema de excitación 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 excitación al campo del generador sincrónico. “La magnitud de la potencia que se emplea para la alimentación del campo se encuentra comprendida entre 0.35% y 1.5% de la potencia nominal del generador, respectivamente desde las potencias grandes hacia las pequeñas. En generadores de la misma potencia nominal, la potencia de excitación requerida aumenta al aumentar el número de polos” [2]. La función de la excitadora es permitir que el regulador de voltaje use una pequeña señal 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 señal de corriente directa que representa el voltaje de línea del generador. La señal se conduce a un detector de error donde se compara con una señal de referencia. La señal de referencia es el punto de regulación del regulador y está directamente relacionada con el voltaje nominal del generador. Si la señal muestreada aumenta o disminuye debajo de la señal de referencia, se produce una señal de error, la cual es amplificada y aplicada a la etapa de control de potencia del campo del generador. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos Figura 2.2 11 Sistema de Excitación. Las características básicas propias de un buen el regulador de voltaje se resumen en su rapidez de respuesta después de una variación de la carga que evite así un cambio drástico en el voltaje de salida. Adicionalmente debe ser exacto para llevar el voltaje nuevamente a su valor nominal y sensible a los pequeños cambios de la carga. 2.4 Tipos de Excitadoras. En la actualidad muchas de las excitatrices están constituidas por un generador de corriente directa (asincrónico) accionados mecánicamente por la turbina y montados físicamente sobre el mismo eje del generador, además existe un número creciente de sistemas de excitación de estado sólido que basan su funcionamiento en rectificadores o tiristores de estado sólido. Las primeras son llamadas excitadoras dinámicas o rotativas y las que carecen de partes móviles se conocen como excitadoras estáticas. Diciembre del 2004 IE-0502 2.4.1 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 12 Excitadoras Rotativas. La excitación rotativa se puede clasificar en dos grupos principales: con escobillas y sin escobillas. En la excitación rotativa con escobillas el regulador de voltaje suministra la potencia al campo de la excitadora y la corriente alterna producida es mecánicamente rectificada mediante un conmutador y escobillas. Esta corriente directa se suministra al campo principal del generador sincrónico por medio de anillos de rozamiento y escobillas. El regulador de voltaje realiza la regulación por medio de la excitadora rotativa. El inconveniente que se presenta es la respuesta lenta en el voltaje de línea debido a la inductancia suministrada al sistema por la excitadora rotativa. Adicionalmente se presentan perdidas de energía que provocan que el sistema de generación sea menos eficiente. Se requiere además un mantenimiento mayor debido al deterioro de las escobillas y del conmutador de la excitadora. La excitación rotativa sin escobillas es similar al tipo con escobillas, la diferencia ocurre en la rectificación 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 sincrónico, por medio de conductores a lo largo del eje que mantienen ambos sistemas apareados. El mantenimiento disminuye drásticamente con la ausencia de las escobillas sin embargo continúan presentes las pérdidas de energía en el eje y la inductancia añadida al sistema por la excitadora rotativa. Diciembre del 2004 IE-0502 2.4.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 13 Excitadoras Estáticas. En la excitación estática 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 estáticos, lo que significa que sus componentes de estado sólido permiten al regulador realizar su función sin la necesidad de partes móviles. La potencia se suministra al campo por medio de anillos rozantes y escobillas. La respuesta para la recuperación del voltaje de línea del generador es más rápida en comparación con la excitación rotativa, ya que el sistema no ve el retraso adicional debido a las constantes de tiempo propias de la excitadora rotativa, además la eficiencia del sistema es mayor. Sigue sin embargo presente el mantenimiento a los anillos y las escobillas. Las excitadoras estáticas se usan generalmente en lugar de las excitadoras rotativas en generadores de baja velocidad y en sistemas generadores de alto rendimiento. La Compañía Nacional de Fuerza y Luz opera generadores de baja velocidad, siendo característico 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 excitación estática. Paralelamente las nuevas plantas hidroeléctricas cuentan con excitadoras estáticas para sus generadores. La generación eléctrica basada en las características propias de los generadores sincrónicos de polos salientes y con sistemas de excitación estáticos han dado buenos resultados y su funcionamiento es congruente con lo expuesto. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 14 CAPÍTULO 3: Sistema de Excitación Estática. Como parte de los trabajos de modernización y mantenimiento, algunos de los generadores de la C.N.F.L., han sido equipados con sistemas de excitación estática, sustituyendo los originales equipos dinámicos. Los nuevos sistemas de excitación corresponden fehacientemente al modelo de la Estándar 421.1 de la IEEE [8] para sistemas de excitación con fuente de potencia con rectificadores controlados, cuyo diagrama de bloques funcional se muestra en la siguiente figura. Figura 3.1 Excitación con fuente de potencia con rectificadores controlados Este diagrama da una idea básica del funcionamiento, a pesar de no distinguir entre las etapas de control y potencia. Sin embargo, está claro que se trata de un sistema de control de lazo cerrado, cuya alimentación, tanto de consumo propio como para la excitación DC del campo, es tomada del voltaje de salida del generador mismo. La rectificación se lleva a cabo con rectificadores controlados de silicio (SCR). Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 15 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 excitación – regulación del generador sincrónico. 3.1 Modelo del Sistema de Excitación. Para una mejor comprensión del funcionamiento del sistema de excitación se redibujó 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 señales de control y en rojo las líneas 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 mayoría dentro de un cubículo metálico clase NEMA 1, el panel frontal del Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 16 mismo está abisagrado para el acceso fácil a los equipos. Fuera del cubículo encontramos la fuente de alimentación DC utilizada durante el arranque o cebado del generador y lógicamente los transformadores tanto de medición (TC y TP) así como el transformador de excitación de donde se obtiene la potencia para excitar el campo del generador. 3.1.1 Elementos que conforman el Sistema de Excitación Estática. El sistema de excitación está conformado por diversos equipos de potencia, medición y control. Basado en la figura anterior se pueden clasificar y enumerar de la siguiente forma: - Transformador de excitación. - Transformador para la medición trifásica del voltaje terminal del generador. - Transformador para la medición monofásica de la corriente. - El chasis de control con el regulador automático de voltaje (AVR) y el control de disparo de los SCR. - El chasis de rectificación o excitatriz donde se encuentran los SCR de potencia. - El control manual ubicado en el panel frontal del cubículo. - Ajustadores electrónicos del voltaje de referencia para modo manual y automático. - Banco de baterías como fuente de DC para el arranque del generador. - Dispositivos electrónicos de control y protección. Diciembre del 2004 IE-0502 3.1.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 17 Disposición física de los elementos que conforman el SEE. Los equipos dentro del cubículo se encuentran fuertemente montados y están protegidos contra agentes externos contaminantes. El gabinete da el suficiente blindaje en caso de explosión interna o externa o ante algún tipo de golpe mecánico del equipo móvil de la casa de máquinas. En la parte externa del panel frontal se encuentran los mandos para el control en modo manual así como indicadores y las carátulas de los equipos de medición pertinentes para el operador. Figura 3.3 Disposición interior de equipos en el cubículo del SEE. Diciembre del 2004 IE-0502 3.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 18 Funcionamiento del Sistema de Excitación Estática Básicamente el SEE debe mantener el voltaje de salida del generador estable entre ±½% del voltaje nominal, para esto mide constantemente la salida del generador. Esta medición se compara con el voltaje de referencia, la diferencia de esta comparación 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. Cómo se lleva a cabo este proceso y cómo intervienen los distintos dispositivos se analiza a continuación. 3.2.1 Transformador de excitación. Es un transformador seco, enfriado por circulación natural de aire y conectado en configuración Y-∆. En el lado de alta tensión 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 cubículo de los equipos de control. El lado de baja tensión esta conectado al chasis de rectificación y además puede ser utilizado para alimentar el servicio propio del chasis de control. Su potencia nominal está en función al tamaño de la máquina sincrónica y de su corriente de campo. 3.2.2 Transformadores de medición. Son dos transformadores de precisión, el primero para el sensado trifásico 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 prácticamente en régimen de vacío, ya que la carga conectada en su secundario son los circuitos de comparación del AVR y el de sincronización del control de disparo. Se conecta en configuración delta abierta tanto en el primario como en el secundario. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 19 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 generación. 3.2.3 Chasis de control. El chasis de control es doblemente alimentado, con voltaje DC desde el banco de baterías y adicionalmente con voltaje AC. La operación puede ser desde ambas fuentes. El voltaje AC se aísla a través de un transformador, luego la tensión es rectificada y filtrada con un condensador. La fuente de voltaje DC se conecta también al filtro a través de un diodo. Esto permite la operación con una o ambas fuentes conectadas al chasis. La alimentación de AC puede conectarse al secundario del transformador de excitación (ver figura 3.2) a través de transformadores de aislamiento. Se busca con esto disminuir la carga sobre la fuente de DC del banco de baterías. Este dispositivo controla o lleva a cabo tres procesos importantes en el funcionamiento del SEE, primeramente el cebado o alimentación de arranque al arrollamiento del campo del generador, la sincronización y generación de las señales de disparo para los SCR de la excitatriz y la regulación del voltaje de salida del generador sincrónico. 3.2.3.1 Función 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 baterías a través de un circuito de crecimiento de tensión. El proceso da inicio con la puesta en marcha de la máquina. El chasis de control cierra el contacto de cebado (ver figura 3.2) y simultáneamente arranca un temporizador de tiempo ajustable (22 segundos en los equipos Basler). El contacto se mantiene cerrado hasta que se Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 20 detecta a la salida del generador la tensión de sincronización, esta tensión es ajustable. Si el temporizador termina su cuenta antes de obtener la tensión de sincronización, abre el contacto de cebado y envía una señal de “falla de flasheo”. Debido a que el arrollamiento del campo es altamente inductivo, la repentina desconexión puede provocar un sobre voltaje de regreso en el chasis rectificador, para lo cual está conectado un “diodo volante”[6] de potencia en derivación con el campo y en oposición 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 Función de sincronización y generación de las señales de disparo. Las señales de voltaje a la salida del transformador de excitación son llevadas a través de un transformador de aislamiento hasta el circuito de disparo, que las deriva y sincroniza por separado y son comparadas con la señal 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 rectificación. La señal de control de error varía el ángulo 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 Función del regulador automático de voltaje AVR. El regulador sensa el voltaje de línea por medio del TP de medición, esta señal es reducida y rectificada a una pequeña señal de DC representativa del voltaje de línea del generador. Esta señal se conduce a un detector de error donde se compara con la señal de referencia de voltaje, que está relacionada con el voltaje nominal de línea del generador. Si la señal del voltaje de línea Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 21 del generador excede o disminuye debajo de la señal de referencia, se produce una señal de error. Esta señal es amplificada y llevada al circuito de control de disparo. 3.2.4 Chasis de rectificación o excitatriz. La función básica del chasis rectificador es producir la potencia para excitar el campo del generador. Para la rectificación utiliza un puente rectificador de potencia con tres tiristores (SCR) y tres diodos, que toma la alimentación trifásica del transformador de excitación externo y la convierte a DC para alimentar el arrollamiento del campo. El puente de rectificación es controlado por la señal de pulsos proveniente del control de disparo. Cuando el SCR es disparado antes o después de la mitad del ciclo (paso por cero), el regulador variará el voltaje DC sensado a través del campo y mantendrá el voltaje de línea del generador dentro de la banda de regulación. Como se expuso en la teoría, es la excitatriz la etapa de potencia del SEE y donde la señal del AVR es amplificada, se verá mas adelante que esto representa una ganancia muy alta en el modelo matemático del AVR. 3.2.5 Panel de control manual. El control manual es una opción de régimen de funcionamiento, bajo el cual funciona el sistema de excitación, puede requerirse para controlar la máquina en caso de falla del control automático 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 cubículo 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: Diciembre del 2004 IE-0502 - Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 22 Llave automático – manual: transfiere el control entre los modos automático y manual del SEE. - Llave aumentar – disminuir la tensión de referencia en modo automático: cambia el voltaje de referencia cuando opera en modo automático. - Llave de reposición de falla: se utiliza para restablecer el equipo cuando se ha activado alguna de las protecciones y ha parado la máquina, por ejemplo durante la falla de cebado de arranque. - Llave aumentar – disminuir la tensión de referencia en modo manual: varía el voltaje de referencia cuando opera en modo manual. - Llave de arranque – parada: sirve para conectar o desconectar el sistema de excitación. En el panel frontal también se encuentran otros equipos de medición y protecciones que no se describen pues no forman parte de los objetivos de este trabajo. 3.2.6 Ajustadores electrónicos del voltaje de referencia. Los ajustadores electrónicos reemplazan los potenciómetros operados por motor proveyendo un método de ajuste basado completamente en electrónica de estado sólido, opera como una resistencia ajustable. Con la variación de la resistencia varía el valor del voltaje de referencia ante el AVR de manera inversa, una disminución de la resistencia provoca un aumento del voltaje de referencia y viceversa. Se tiene un ajustador para cada modo de operación, manual y automático. Pueden ser ajustados exteriormente desde el panel frontal. Diciembre del 2004 IE-0502 3.2.7 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 23 Dispositivos electrónicos de control y protección. Para asegurar la operación normal el SEE cuenta con una serie de protecciones que miden las variables del proceso de regulación, en primera instancia si alguna magnitud toma valores fuera de los limites de trabajo, envían señales de advertencia a los indicadores del panel frontal o activan el disparo o desconexión de la máquina. Se obvió la descripción de estos dispositivos debido a que el objetivo e interés del trabajo es la parte funcional del SEE. Sin embargo se mencionan para tener una idea sobre ellos: 3.3 - Limitador de excitación mínimo - máximo - Controlador de factor de potencia. - Relé de sobre-excitación. - Relé de secuencia de fase. - Relé de baja tensión, sobre tensión y baja-sobre tensión. Estabilidad del Sistema de Excitación. Como se describió 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 núcleo de hierro que tiene un valor de inductancia muy alto, la aplicación 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 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 24 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 señal de error amplificada controla la conducción de los tiristores en la etapa de potencia. Cambios muy pequeños en el comparador o punto de suma del AVR pueden hacer que la salida de potencia busque los niveles máximos o mínimos para corregir el voltaje del generador. La alta sensibilidad del amplificador de error es una característica de los reguladores de voltaje con el fin de entregar exactitud para una buena regulación del voltaje. El punto en común de los reguladores de voltaje es el circuito de estabilidad sin el cual el voltaje del generador oscilaría debido a la ganancia del AVR, y el circuito detector de error ajustaría continuamente su salida para corregir la desviación del voltaje sensado contra su voltaje de referencia. Para corregir esta oscilación 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 matemático para el SEE. [11, 12]. En el caso concreto de los sistemas de excitación Basler, el circuito de estabilidad está formado por un circuito sensible a la frecuencia, que corresponde a una red de adelanto-atraso conectado al campo para proporcionar una señal al punto de suma del AVR. La red de estabilidad se encuentra en la tarjeta del AVR, además cuenta con un ajuste que le permite la operación estable del generador para una variedad de tamaños de máquinas, controlando la cantidad de retroalimentación aplicada al AVR. Este ajuste lo realiza el fabricante desde la fábrica (ver Figura 3.4). El ajuste en sentido horario provee buena estabilidad, pero tiende a hacer mayor el tiempo de respuesta de recuperación del voltaje de salida del generador. La rotación en sentido Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 25 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 automático de voltaje. Un buen ajuste se logra rotando el potenciómetro en sentido horario justo por encima del punto de oscilación con el generador en vacío, ya que la estabilidad de tensión es más crítica en vacío. Cuando se desee un ajuste que provea una respuesta temporal más rápida con buena estabilidad del generador, debe utilizarse un osciloscopio o un dispositivo para registrar la tensión. Una mejor opción es obtener la curva de respuesta el sistema y con métodos de control, determinar los parámetros del modelo del sistema. Para una experiencia similar referirse a [7]. Diciembre del 2004 IE-0502 3.3.1 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 26 Modelo matemático del SEE. El modelo matemático ST1 (ver [8,11]), corresponde al sistema de excitación estático 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 retroalimentación del regulador, corresponde al circuito de estabilidad el cual como ya vimos es posible ajustar, para obtener una respuesta adecuada. Figura 3.5 Modelo matemático 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 pequeñas y normalmente no requiere de la estabilización de la excitatriz como tal” [11]. Diciembre del 2004 IE-0502 3.3.2 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 27 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 regulación del voltaje, el sistema de excitación se debe diseñar con circuitos electrónicos que tienen una ganancia muy alta. La ganancia, en decibelios, define la magnitud de la salida que puede producir la aplicación de una pequeña señal de entrada. A mayor amplificación mayor es la ganancia. Los reguladores con una pobre regulación (2%) pueden tener una ganancia del amplificador de apenas 100 DB. Mientras que los reguladores de voltaje con regulación de ¼% pueden tener ganancias arriba de 1000 DB. 3.3.2.2 La red de estabilidad. La red con los circuitos de adelanto y atraso están configurados para proporcionar una señal de retroalimentación en el punto sumador del regulador de voltaje. Esto asegura que el regulador no corrija el voltaje del sistema tan rápidamente, que oscile el voltaje de la máquina 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 está 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 máquina 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 tamaño de la máquina. Sin embargo para pequeños generadores hidráulicos que tienen muchos polos, la constante de tiempo puede ser extremadamente alta. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 28 3.2.2.4 Velocidad de respuesta del gobernador. El gobernador controla al apertura de los alabes, variando de este modo el ángulo de incidencia del agua sobre la turbina. Esto sirve para controlar la potencia real generada. Cuando el circuito de medición detecta un aumento de la carga, envía una señal de control al gobernador para que varíe 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 rápida puede ocasionar inestabilidad del sistema, debido a las repetidas consignas para lograr la potencia deseada. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 29 CAPÍTULO 4: Pruebas de Campo. 4.1 Verificación de la problemática. 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 déficit o al contrario por el exceso de la potencia reactiva. En horas de la noche, cuando sistemáticamente la mayoría de las cargas desaparecen, se acentúa el aumento de la tensión, arriba de los valores nominales. Para verificar el fenómeno del aumento de la tensión durante los períodos en los que la carga desminuye, se realizó una medición de campo en la Subestación elevadora Electriona. Justamente en esta subestación se suple la potencia generada por P.H. Electriona. Figura 4.1 Diagrama unifilar de la Planta Hidroeléctrica y Subestación Electriona Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 30 Esta Planta cuenta con tres generadores sincrónicos (ver anexo 1). Los generadores No.1 y 2 son de eje vertical, 1700 kVA cada uno y equipados con sistemas de excitación estática de marca Basler, el generador No.3 es de eje horizontal, 3450 kVA y esta equipado con un sistema de excitación dinámico con diodos rotantes. La configuración se ilustra en la figura 4.1. El voltaje de generación 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 generación de la unidad No.3 a 13.8 kV, es transformada e igualmente conducida a la barra de 34.5 kV. Esta subestación 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 Medición de la potencia en la barra de 34.5 kV de la Subestación Electriona. La primera medición se llevó 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 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 31 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. 1% Figura 4.3 Medición de voltaje en la barra de 34.5 kV de la Subestación Electriona. La medición de potenciales en el mismo intervalo nocturno, corroboró 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 realizó una segunda medición, dentro del pico del gráfico de carga al medio día, con el objeto de valorar el comportamiento de la barra y compararlo con su desempeño nocturno. La principal característica de la carga durante el intervalo diurno es una mayor oscilación, es decir un fluctuación constante de las magnitudes de las cargas, que se manifiesta como un rizado de aproximadamente un 2% del valor instantáneo. Tales perturbaciones no pueden ejercer inestabilidad en generadores, aún con pobre amortiguamiento. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 32 2% Figura 4.4 Medición de la potencia para el pico de medio día en la Sub. Electriona. 0.9% Figura 4.5 Medición del voltaje para el pico del medio día en la Sub. Electriona. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 33 La medición del voltaje en la barra mostró que si bien los valores máximos 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 energía. La norma indica que las variaciones máximas permitidas del voltaje deben encontrarse dentro del 10%. Así 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 medición se eligió el generador No.2 de la P.H. Electriona, marca AEG e instalado en 1928. Originalmente contaba con un sistema de excitación dinámico el cual fue sustituido en 1994, por el actual sistema estático marca BASLER. El voltaje y corriente DC de excitación son 110V y 156 A, respectivamente. Se propuso realizar mediciones de pequeña señal, para caracterizar el desempeño dinámico del generador y del sistema de excitación. Sin embargo se presentó el gran inconveniente del ruido propio de las casas de máquinas que desdibujo las mediciones, por este motivo y dadas las limitaciones técnicas de los aparatos de medición, se realizaron dos tipos de mediciones, con el objetivo de valorar el desempeño 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 sincrónica. Adicionalmente se define el sistema a lazo abierto (LA) cuando no hay señal de retroalimentación 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. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 34 Consecuentemente el funcionamiento a lazo cerrado (LC) es la operación en modo automático. 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 escalón en el voltaje de excitación. CC, LA. Con la máquina generando la potencia nominal a factor de potencia unitaria, se aplicó un escalón en el voltaje de la excitadora, lo cual se traduce como un cambio en el factor de potencia. Figura 4.6 Escalón 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 excitación (Figura 4.7). Dos de las características para medir el desempeño de un sistema de excitación, son la velocidad de respuesta y su estabilidad. Cuando se ajusta o sintoniza el sistema, la mejora de una de las características va en detrimento de la otra. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos Figura 4.7 35 Voltaje de salida del generador ante un cambio de la excitación. La insensibilidad del voltaje, ante cambios en la excitación, fue un resultado esperado. En la operación regular de generadores de pequeña potencia, la regulación de los álabes 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 medición se recreo esta práctica. Por otro lado el factor de potencia con que se genera, no es determinante para el sistema en el caso concreto de máquinas pequeñas, tal y como lo son, los generadores de P.H. Electriona. 4.2.2 Voltaje de salida ante un escalón en el voltaje de referencia. CA, LA. Durante el arranque se abren lentamente los álabes, alrededor de un 10%, para llevar la máquina cerca de su velocidad nominal, durante este proceso el generador no se encuentra energizado. Al momento de cerrar el interruptor de excitación, se energiza el campo del generador y su voltaje Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 36 es llevado al nivel indicado por el voltaje de referencia. Este voltaje, es una señal proporcional al voltaje deseado a la salida del generador, que junto con el voltaje sensado, llegan al sumador del AVR y producen la señal de error. Este error es máximo durante el arranque y produce un escalón que la excitatriz intenta seguir, produciendo el campo necesario para generar el voltaje nominal a la salida del generador, que aún se encuentra en vacío. Figura 4.8 Escalón del voltaje de referencia durante el arranque. Es deseable una respuesta rápida del AVR y la excitadora, sin embargo una respuesta excesivamente rápida 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 excitación origina una respuesta sobre-amortiguada. Esto representa una característica importante para un estudio de estabilidad mas profundo. Diciembre del 2004 IE-0502 Figura 4.9 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 37 Voltaje del generador ante un escalón en el voltaje de referencia. Es importante, el hecho que este generador trabaja con factor de potencia cercano a uno, a pesar de estar diseñado para funcionar con factor de potencia de 0.8, esto se debe a una directriz empresarial para la generación. Esto reduce por un lado la magnitud de la corriente de excitación al no requerir generar reactivo. De este modo el sistema de excitación no es exigido al 100% de su capacidad. Por lo cual no fue necesario simular una condición extrema de funcionamiento. Otras mediciones al generador no fueron posibles realizar debido a las debilidades del equipo de medición con que se contó y al reducido tiempo de disponibilidad de la máquina, que por razones obvias tiene un costo importante para la empresa. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 38 CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones Conclusiones. - Los sistemas de excitación estática, representan una buena opción para ser utilizados en conjunto con generadores de baja velocidad y alto rendimiento, tales como los utilizados en pequeños sistemas de generación hidráulica. No significa esto que solo en pequeños generadores los encontremos, ya que cuentan con otras ventajas. - La inexistencia de partes móviles, sensibles al desgaste mecánico, reduce los requerimientos de mantenimiento, al menos mecánico en los sistemas de excitación estática. - Los sistemas de excitación se equipan con elementos de control electrónicos y microelectrónicos, ideados para ser cambiados íntegramente en caso de falla. Esto dificulta los intentos de reparación 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 específicos y no los módulos completos. - Si bien los sistemas de excitación estática permiten un control efectivo de las potencia reactiva y activa. Para que estos puedan influir en la calidad de la energía 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 ningún tipo de carga, basta una apertura de álabes del 10% aproximadamente, para poder alcanzar la Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 39 velocidad nominal de sincronía. 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 sincronización con el sistema, con el objeto de ser puesto en línea con el mismo. Este proceso se lleva a cabo de manera manual o automática, para la segunda opción se utiliza el sincronizador automático, cuyo estudio y descripción quedó fuera del alcance de este trabajo, por no formar parte integral del SEE, sin embargo una vez puesto el generador en línea, 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 energía y la injerencia sobre esta, de los generadores de la C.N.F.L., se concluye que el tipo de red de potencia del área administrada por la C.N.F.L. no corresponde ni al tipo radial ni al anillado, mas bien es un híbrido de ambos. Esta configuración y las características de los circuitos (longitud, carga, etc.), evitan que se comporte de forma robusta y sus flujos de potencia no sean homogéneos. Como se midió la variaciones de voltaje en la barra de la subestación no alcanzan el 1%, que son valores tolerables y dentro de lo permitido. - Además, la pequeña 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, quizás por este motivo la directriz empresarial de generar con factor de potencia unitario. Los generadores de mayor tamaño, operados por el ICE, son los encargados de suplir el reactivo a la red y por ende de la regulación del voltaje. Para este mismo objetivo se construyen bancos de capacitores en subestaciones de mayor tamaño. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 40 Recomendaciones. - Se recomienda mejorar la interfase electromecánica entre la excitadora y el gobernador, con la finalidad de obtener una respuesta mas rápida y precisa, haciendo un tiempo de sincronización menor y con menores variaciones en la velocidad de la máquina. Debido a que este es el elemento menos robusto del sistema Generador-Excitación. - Es requerido un estudio de calidad de la energía (Power Quality), para determinar las principales causas de las variaciones del voltaje, a fin de establecer las medidas correctivas, como por ejemplo: regulación de los “taps” de los transformadores d e potencia, instalación de bancos de capacitores, etc. - Aumentar la capacitación del personal a cargo del mantenimiento, sobre los diversos elementos que integran el sistema de excitación. Preferiblemente si son impartidos por las mismas empresas fabricantes. Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 41 BIBLIOGRAFÍA 1. Ramírez Vázquez, D. “Máquinas Motrices Generadores de Energía Eléctrica”, 7ª edición, CEAC, España, 1991. 2. Enríquez Harper, G. “Elementos de Centrales Eléctricas”, 1ª edición, LIMUSA, S.A., México, 1983. 3. Liwschitz-Garik, M. “Máquinas de Corriente Alterna”, 13ª edición, CECSA, México, 1987. 4. Kosow, I. “Máquinas Eléctricas y Transformadores”, 2ª edición, Prentice-Hall, México, 1993. 5. Möltgen, G. “Convertidores Estáticos”, 1ª edición, Marcombo, España, 1986. 6. Ruiz Vasallo, F. “Manual de Rectificadores Controlados de Silicio”, 1ª edición, CEAC, S.A., España, 1980. 7. Chi-Jui Wu, “Enhancement of Static Excitation System Perfomance for Generator Near Electric Arc Furnace Loads”, IEEE Transactions on Energy Conversion, USA, Vol [14] N° [2], 1999. 8. Norma IEEE 421.1, “ Estandard Definitions for Excitation Systems for Synchronous Machines”, USA, 1986. 9. 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Crewshaw, M. “Excitation System Models for Power Syst em Stability Studies”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, USA, Vol [100] N° [2], 1981. 12. “Instruction Manual for Shunt Static Exciter -Regulator” , Publication Number 9 1079 00 99X, Basler Electric, USA, 1988. 13. “Historia de la Electricidad 1600 -1900” , http://vicentelopez0.tripod.com/Electric.html Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 43 APÉNDICES Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 44 Generadores y excitadoras en las Plantas Hidroeléctricas de la C.N.F.L. La Compañía Nacional de Fuerza Luz cuenta con nueve Plantas Hidroeléctricas, siete de ellas se ubican dentro del gran área metropolitana, la octava se encuentra en San Ramón de Alajuela, P.H. Daniel Gutierrez y la última junto al Lago de Cote, en Guanacaste. En conjunto se cuenta con veinte generadores con sus respectivos sistemas de excitación. Su distribución se indica en las siguientes tablas. Tabla A.1.1 Planta: Anonos Construida: 1889 Generador No. 1 Tipo Marca Sincrónico AEG Tabla A.1.2 Planta: Belén Tipo Marca Sincrónico 2 3 Generador No. 1 Excitación Marca Estática Cibertec Construida: 1912 Generador No. 1 Tabla A.1.3 Fecha Instalación 1930 No. Generadores: 1 Fecha Instalación 1993 No. Generadores: 3 Excitación Marca AEG Fecha Instalación 1931 Estática Basler Fecha Instalación 1993 Sincrónico GE 1926 Estática Basler 1993 Sincrónico ABB 1990 Dinámica Aros Electric 1990 Planta: Brasil Construida: 2002 Tipo Marca Sincrónico ABB Fecha Instalación 1998 No. Generadores: 1 Excitación Marca Estática ABB Fecha Instalación 1998 Diciembre del 2004 IE-0502 Tabla A.1.4 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos Planta: Cote Construida: 2002 Generador No. 1 Tipo Marca Sincrónico Toshiba Tabla A.1.5 Planta: D. Gutiérrez Generador No. 1 Tipo Marca Sincrónico 2 3 Tabla A.1.6 Marca Brushless Grameyer Construida: 1996 Fecha Instalación 2002 No. Generadores: 3 Marca IMPSA Estática Basler Fecha Instalación 1996 Sincrónico IMPSA 1996 Estática Basler 1996 Sincrónico IMPSA 1996 Estática Basler 1996 Planta: Electriona Marca Sincrónico 2 3 2 Excitación Excitación Tipo Generador No. 1 No. Generadores: 1 Fecha Instalación 1996 Generador No. 1 Tabla A.1.7 Fecha Instalación 2002 45 Construida: 1922 No. Generadores: 3 Excitación Marca AEG Fecha Instalación 1928 Estática Basler Fecha Instalación 1994 Sincrónico AEG 1928 Estática Basler 1994 Sincrónico AEG 1991 Dinámica AEG 1991 Planta: Nuestro Amo Tipo Construida: 1949 Marca No. Generadores: 2 Fecha Excitación Instalación Sincrónico Westinghouse 1949 Estática Marca Basler Fecha Instalación 1997 Sincrónico Westinghouse Basler 1997 1949 Estática Diciembre del 2004 IE-0502 Tabla A.1.8 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos Planta: Río Segundo Generador No. 1 Tipo Marca Sincrónico 2 Asincrónico Brown Boveri Alconza Tabla A.1.9 Planta: Ventanas Construida: 1895 46 No. Generadores: 2 Fecha Instalación 1895 Excitación Marca Estática Cibertec 1998 Condensador Merlin Gerin Construida: 1944 Generador No. 1 Tipo Marca Fecha Excitación Instalación 1944 Estática Sincrónico GE 2 Sincrónico GE 1944 3 Sincrónico GE 4 Sincrónico GE Fecha Instalación 1993 1998 No. Generadores: 4 Marca GE Fecha Instalación 1944 Estática GE 1944 1944 Estática GE 1944 1944 Estática GE 1944 Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 47 ANEXOS Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 48 Rectificación trifásica de onda completa semicontrolada con carga resistiva. La figura A.1 representa un puente semicontrolado típico con carga resistiva, y las figuras A.2 y A.3 la forma de onda a su salida. Nótese como la mitad de los elementos rectificadores, es controlable, mientras que la mitad restante, no lo es. Veamos ahora las particularidades de éste 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 180º. Así 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 tensión a la salida del rectificador, y que queda aplicada a la carga, adopte la forma de la figura A.2, mientras que el ángulo de conducción ϕ, sea inferior a π/n, siendo n el número de fases que podemos controlar y no el número de fases que nos suministra el secundario del transformador. En el caso que se nos presenta n = 3, por lo tanto la Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 49 tensión Vo aplicada a la carga será la representada en la figura A.2, siempre que ϕ, sea inferior a 60º. Figura A.2 Forma de la onda rectificada para ϕ < 60 60º Cuando el ángulo de encendido ϕ2 sea superior a π/n, (superior a 60º), las variaciones que experimentará Vo son representadas en la figura A.3. Figura A.3 Forma de la onda rectificada para ϕ > 60 60º Diciembre del 2004 IE-0502 Sistemas de Excitación Estática de Generadores Sincrónicos 50 Cuando ϕ es inferior a 60º no es preciso hacer ningún montaje especial para las cargas inductivas, sin embargo cuando ϕ sea superior 60º, se deberá colocar un diodo volante en paralelo con la carga, para cortocircuitar la corriente auto inducida en ésta. Para el cálculo de las corrientes y tensiones continuas rectificadas no es preciso distinguir entre ϕ menor o mayor que π/n. En el ejemplo propuesto de rectificador trifásico semicontrolado en puente se tiene que: I OAV = 3 *VOM (1 + cos ϕ ) 2π VOAV = 3 * I OAV (1 + cos ϕ ) 2π Diciembre del 2004
