3.5 Paralelaje de alternadores sincronos

Paralelaje de alternadores síncronos

En el mundo actual es muy raro encontrar que un generador síncrono suministre independientemente su propia carga. Esta situación solo se encuentra en algunas aplicaciones que salen de lo normal, tales como los generadores de emergencia. En todas las demás aplicaciones de generadores hay más de uno que opera en paralelo para suministrar la potencia que requieren las cargas. La situación en la red de potencia de Estados Unidos es un ejemplo extremo de esta situación, en la que literalmente miles de generadores comparten la carga del sistema. ¿Porque se utilizan los generadores síncronos en paralelo? Hay muchas ventajas para ello:

• Varios generadores pueden alimentar una carga más grande que una sola máquina. 
• Tener varios generadores incrementa la confiabilidad del sistema de potencia, debido a que la Falla de cualquiera de ellos no causa la pérdida total de potencia en la carga. 
• Tener varios generadores que operan en paralelo permite la remoción de uno o más de ellos para Cortes de potencia y mantenimientos preventivos. 
• Si se utiliza un solo generador y este no opera cerca de plena carga, entonces será relativamente ineficiente. Con varias máquinas más pequeñas que trabajan en paralelo es posible operar solo una fracción de ellas. Las que operan lo hacen casi a plena carga y por lo tanto de manera más eficiente. 

Condiciones requeridas para operar en paralelo

La figura muestra un generador síncrono G1 que suministra potencia a una carga con otro generador G2 a punto de conectarse en paralelo con G1 por medio del cierre del interruptor S1 ¿Qué condiciones se deben cumplir antes de poder cerrar el interruptor y de conectar los dos generadores?

Si el interruptor se cierra de manera arbitraria en cualquier momento, es posible que los generadores se dan en severamente y que la carga pierda potencia. Si los voltajes no son exactamente iguales en cada uno de los generadores que se conectaran juntos, habrá un flujo de corriente muy grande cuando se cierre el interruptor. Para evitar este problema, cada una de las tres fases debe tener exactamente la misma magnitud de voltaje y ángulo de fase que el conductor al que se conectara. En otras palabras, el voltaje en la fase a debe ser exactamente igual al voltaje en la fase a9 y así en forma sucesiva para las fases b-b9 y c-c9. Para lograr lo anterior, se deben cumplir las siguientes condiciones de puesta en paralelo:

• Los voltajes de línea rms de los dos generadores deben ser iguales. 
• Los dos generadores deben tener la misma secuencia de fase. 
• Los ángulos de fase de las dos fases a deben ser iguales. 
• La frecuencia del generador nuevo, llamado generador en aproximación, debe ser un poco mayor que la frecuencia del sistema en operación. 

Estas condiciones de puesta en paralelo requieren ciertas explicaciones. La condición 1 es obvia: para que dos grupos de voltajes sean idénticos, deben tener la misma magnitud de voltaje rms. Los voltajes en las fases a y a9 serán completamente idénticos en todo momento si ambas magnitudes y sus ángulos son iguales, lo que explica la condición 3.

La condición 2 asegura que la secuencia en la que el voltaje de fase llegue a su pico en los dos generadores sea la misma. Si la secuencia de fase es diferente (como se observa en la figura), entonces aun cuando un par de voltajes (los de fase a) estén en fase, los otros dos pares de voltajes estarán desfasados por 120°. Si se conectan los generadores de esta manera, no habrá problema con la fase a, pero fluirán enormes corrientes en las fases b y c, lo que dañara ambas maquinas. Para corregir el problema de secuencia de fase, simplemente se intercambian las conexiones en dos de las tres fases en una de las maquinas.

Si las frecuencias de los generadores no son muy parecidas cuando se conectan juntos, se presentaran grandes potencias transitorias hasta que se estabilicen los generadores en una frecuencia común. Las frecuencias de las dos máquinas deben ser casi iguales, pero no pueden ser exactamente iguales. Deben diferir por una pequeña cantidad para que los ángulos de fase de la maquina en aproximación cambien en forma lenta con respecto a los ángulos de fase del sistema en operación. De esta manera se pueden observar los ángulos entre los voltajes y se puede cerrar el interruptor S1 cuando los sistemas estén exactamente en fase.

Procedimiento general para conectar generadores en paralelo

Supóngase que se va a conectar el generador G2 al sistema en operación que se muestra en la figura. Se deben seguir los siguientes pasos para conectarlos en paralelo. Primero, por medio de voltímetros se debe ajustar la corriente de campo del generador en aproximación hasta que su voltaje en las terminales sea igual al voltaje en línea del sistema en operación. Segundo, la secuencia de fase del generador en aproximación se debe comparar con la secuencia de fase del sistema en operación. La secuencia de fase se puede revisar de muchas maneras. Una de ellas es conectar alternativamente un pequeño motor de inducción a las terminales de cada uno de los dos generadores. Si el motor gira en la misma dirección en ambas ocasiones, entonces la secuencia de fase es la misma. Si el motor gira en direcciones opuestas, entonces las secuencias de fase son diferentes y se deben invertir dos de los conductores del generador en aproximación. Conectan tres lámparas a través de las terminales abiertas del interruptor que conecta el generador al sistema, como se muestra en la figura). Conforme la fase cambia entre los dos sistemas, las lámparas lucirán primero brillantes (una gran diferencia de fase) y luego tendrán una luz tenue (una diferencia de fase pequeña). Si las tres lámparas lucen brillantes y se apagan al mismo tiempo, los sistemas tienen la misma secuencia de fase. Si las lámparas lucen brillantes sucesivamente, los sistemas tienen secuencias de fase opuestas y se debe invertir una de las secuencias.

A continuación, la frecuencia del generador en aproximación se ajusta para que sea un poco más alta que la frecuencia del sistema en operación. Esta tarea se lleva a cabo primero observando un medidor de frecuencia hasta que las frecuencias sean similares y entonces se observan los cambios de fase entre los sistemas. Se ajusta el generador en aproximación a una frecuencia un poco más alta para que cuando se conecte a la línea suministre potencia como generador, en lugar de consumirla como lo hace un motor.

Una vez que las frecuencias son casi iguales, los voltajes en los dos sistemas cambian de fase muy lentamente con respecto al otro. Se observan los cambios de fase y cuando los ángulos de fase son iguales, se apaga el interruptor que conecta a los dos sistemas.

¿Como se puede saber cuándo los dos sistemas están por fin en fase? Una manera sencilla es observar las tres lámparas que se describieron cuando se explicó la secuencia de fase. Cuando se apagan las tres lámparas, la diferencia de voltajes a través de ellas es cero y los sistemas están en fase. Este sencillo esquema funciona, pero no es muy exacto. Un método mejor es la utilización de un sincronoscopio. Un sincronoscopio es un medidor que mide la diferencia en los ángulos de fase entre las fases a de los dos sistemas. En la figura se puede ver el esquema de la parte frontal de un sincronoscopio. El cuadrante muestra la diferencia de fase entre las dos fases a: el (que significa da en fase) se ubica en la parte superior y el 180° en la parte inferior. Debido a que las frecuencias de los dos sistemas son un poco diferentes, el angulo de fase en el medidor cambiara lentamente. Si el generador o sistema en aproximación es más rápido que el sistema en operación (situación deseada), el angulo de fase avanza y la aguja del sincronoscopio gira en el sentido de las manecillas del reloj. Si la maquina en aproximación es más lenta, la aguja gira en sentido contrario a las manecillas del reloj. Cuando la aguja del sincronoscopio está en una posición vertical, los voltajes están en fase y se puede cerrar el interruptor para conectar el sistema.

En los generadores más grandes que pertenecen a sistemas de potencia, todo el proceso de conectar un generador nuevo en paralelo esta automatizado y una computadora lleva a cabo esta tarea. Sin embargo, en generadores más pequeños el operador ejecuta a mano los pasos antes descritos de conexión en paralelo.

Características de frecuencia-potencia y de voltaje-potencia reactiva de un generador síncrono

Todos los generadores son accionados por un motor primario, que es la fuente de potencia mecánica del generador. El tipo más común de motor primario es la turbina de vapor, pero hay otros tipos, que incluyen los motores de diésel, las turbinas de gas, las turbinas hidráulicas e incluso las turbinas de viento a la que giran disminuye. 

Por lo general, este decremento de velocidad es no lineal, pero se incluye algún tipo de mecanismo regulador para que la disminución de la velocidad sea lineal con el incremento de la demanda de potencia. Cualquiera que sea el mecanismo regulador presente en el motor primario, siempre se ajusta para suministrar una característica de caída suave con el incremento en la carga. La siguiente ecuación define la caída de velocidad (SD, por sus siglas en ingles) en un motor primario

Donde nsc es la velocidad del motor primario en vacío y npc es la velocidad del motor primario a plena carga. La mayoría de los motores primarios tienen una caída de velocidad de 2 a 4%, como se define en la ecuación. Además, la mayoría de los mecanismos regulares contienen algún tipo de ajuste del punto fijado para permitir que varié la velocidad de vacío de la turbina. En la figura se muestra una gráfica típica de la velocidad y la potencia. Debido a que la velocidad del eje está relacionada con la frecuencia eléctrica resultante por medio de la ecuación

La potencia de salida de un generador síncrono está relacionada con su frecuencia. En la figura se puede ver un ejemplo de una gráfica de la frecuencia y la potencia. Las características de frecuencia-potencia de este tipo desempeñan un papel esencial en la operación en paralelo de los generadores síncronos. La relación entre la frecuencia y la potencia se puede describir cuantitativamente por medio de la ecuación

Donde

P = potencia de salida del generador

fsc = frecuencia en vacío del generador

fsis = frecuencia de operación del sistema

Sp = pendiente de la curva, en kW/Hz o MW/Hz

Operación de generadores en paralelo con grandes sistemas de potencia

Cuando un generador síncrono se conecta a un sistema de potencia, a menudo el sistema de potencia es tan grande que ninguna de las acciones del operador del generador tendrá gran efecto en el sistema de potencia. Un ejemplo de esta situación es la conexión de un solo generador en la red de potencia de Estados Unidos, que es tan grande que ninguna acción razonable por parte del operador podrá causar un cambio observable en la frecuencia total de la red. Este fenómeno se idealiza en el concepto de bus infinito. Un bus infinito es un sistema de potencia tan grande que su voltaje y frecuencia no cambian sin importar que tanta potencia real y reactiva se le demande o se le suministre. En la figura se muestra la característica de potencia-frecuencia de un sistema como este y se puede ver su característica de potencia reactiva-voltaje.

Cuando se conecta un generador en paralelo con otro generador o con un sistema grande, la frecuencia y voltaje en las terminales de todas las máquinas deben ser iguales, debido a que sus conductores de salida están unidos. Por lo tanto, sus características de frecuencia-potencia real y de potencia reactiva voltaje se pueden dibujar en una grafo da espalda con espalda, con un eje vertical en común. Se aprecia este tipo de grafo da que a menudo se llama diagrama de casa.

Supongase que el generador acaba de ser conectado en paralelo con un bus infinito de acuerdo con el procedimiento descrito con anterioridad. Entonces el generador “flota” en la linea y suministrara una pequeña cantidad de la potencia real y muy poca o nada de la potencia reactiva. En la figura se puede observar esta situación.

Operación de generadores en paralelo con otros generadores del mismo tamaño

Cuando un generador opera solo, las potencias real y reactiva (P y Q) que suministra el generador son fijas, están restringidas a ser iguales a la potencia demandada por el sistema y los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo varían la frecuencia y el voltaje en las terminales. Cuando un generador opera en paralelo con un bus infinito, este restringe la frecuencia y al voltaje en las terminales a ser constantes y los puntos de ajuste del mecanismo regulador y la corriente de campo varían las potencias real y reactiva. .Que sucede cuando un generador síncrono se conecta en paralelo no con un bus infinito, sino con otro generador del mismo tamaño? ¿Cual será el efecto de cambiar los puntos de ajuste del mecanismo regulador y las corrientes de campo?

La frecuencia del sistema no está restringida a ser constante ni tampoco la potencia de un generador lo está. En la siguiente figura se muestra el diagrama de potencia-frecuencia de un sistema de este tipo inmediatamente después de que G2 se conecta en paralelo con la linea. En este caso, la potencia total Ptot (que es igual a Pcarga) está dada por

Y la potencia reactiva total está dada por