INSTITUTO SUPERIOR POLITCNICO JOSE ANTONIO ECHEVERRA (ISPJAE)

CENTRO DE INVESTIGACIONES Y PRUEBAS ELECTROENERGTICAS (CIPEL)

CONVENIO CUBA - VENEZUELA

COGENERACIN EN EMPRESAS DE BAJO CONSUMO ENERGTICO EN VENEZUELATRABAULO DE MASTEEN INGENIERA Monografa en opcin al Ttulo Acadmico de Mster en:PROGRAMA DE MAESTRIA EN INGENIERA ELCTRICA

Autor: Ing. Jorge PerdomoJorgeperdomo52@hotmail.com

Tutor: Dr. Santiago Alfredo Dorrbercker Drakedorr0753@gmail.com

Enero 2014MONOGRAFA COGENERACIN EN EMPRESAS DE BAJO CONSUMO ENERGTICO EN VENEZUELACOGENERATION IN COMPANIES LOW CONSUMPTION ENERGY IN VENEZUELA

Autor: Ing. Jorge Perdomo

ResumenEl propsito de la presente monografa es el de sealar las principales caractersticas del elemento principal en un sistema de cogeneracin como lo es el generador, as como los atributos del sistema de sincronizacin y las protecciones a tomar en cuenta para asegurar el buen funcionamiento del mismo.

PALABRAS CLAVES: cogeneracin, generador, sincronizacin, protecciones.

Abstract: The purpose of this paper is to point out the main features of the main element in a cogeneration system is the generator as well as the attributes of the system synchronization and protection to consider to ensure proper operation.

KEY WORDS: cogeneration, generator, synchronization, protections.

TEMATICA: APLICACIONES INDUSTRIALESINDICEI. LA IMPORTANCIA DE LOS GENERADORES EN LA INDUSTRIA ELCTRICA3II.LOS MOTORES Y GENERADORES ELCTRICOS3Generadores de Corriente Alterna (Alternadores)3III.CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRNICO5IV.GENERADOR SINCRNICO BSICO7V.GENERACIN DISTRIBUIDA7VI.CONEXIN DE GENERADORES A UN SISTEMA DE POTENCIA8VII.MODELO DE CORTO CIRCUITO DEL GENERADOR SINCRNICO9VIII.PROTECCIN DE GENERADORES SINCRNICOS13IX.EL FENMENO DE ENERGIZACIN INADVERTIDA15X.SINCRONIZACIN DE UN GENERADOR16XI.INSPECCIN Y MANTENIMIENTO DEL GENERADOR ELCTRICO21XII.BIBLIOGRAFIA27XIII.DATOS DEL AUTOR29

LA IMPORTANCIA DE LOS GENERADORES EN LA INDUSTRIA ELCTRICALa mayor parte de los equipos elctricos requieren de grandes cantidades de corriente y de tensiones altas para poder funcionar. Por ejemplo, las luces elctricas y los motores, requieren tensiones e intensidades de corriente mayores que las que puede suministrar una batera comn para su normal funcionamiento. Por esto se requieren fuentes de electricidad que no sean bateras para abastecer grandes cantidades de corriente. Estas grandes cantidades de corriente la suministran las mquinas elctricas rotativas que reciben el nombre de "generadores de potencia". Los generadores de potencia pueden suministrar corriente alterna. El generador puede disearse para altas o bajas corrientes. Si faltara la energa elctrica que producen los generadores, el mundo actual quedara prcticamente paralizado. Si miramos a nuestro alrededor nos daremos cuenta de la importancia de la corriente elctrica que producen los generadores. En nuestro mundo moderno, el sistema de alumbrado, nuestras fbricas y toda nuestra vida industrial est accionado por la corriente elctrica que producen los generadores. Los generadores son tan importantes en la vida moderna, como el corazn en la vida de nuestro organismo [1].

LOS MOTORES Y GENERADORES ELCTRICOSSon un grupo de mquinas que se utilizan para convertir la energa mecnica en elctrica, o a la inversa, con medios electromagnticos. A una mquina que convierte la energa mecnica en elctrica se le denomina generador, alternador o dnamo, y a una mquina que convierte la energa elctrica en mecnica se le denomina motor [2].

Generadores de Corriente Alterna (Alternadores)En su forma ms simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en slo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura estn sacados a los anillos colectores slidos sin segmentos del rbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua ms que con el generador en s. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, sin embargo, son a menudo mquinas de dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del nmero de polos y el nmero de revoluciones por segundo de la armadura [2].

Velocidad de Rotacin de un Generador SincrnicoEl rotor de un generador sincrnico se compone de un electroimn al cual se le suministra una corriente continua. El campo magntico del rotor se mueve segn sea la direccin en que se haga girar dicho rotor. Ahora, la velocidad de rotacin de los campos magnticos de la mquina se relaciona con la frecuencia elctrica del estator por medio de la siguiente ecuacin:

En donde,fe = frecuencia elctrica, Hz.nm= velocidad mecnica del campo magntico, rpm (=velocidad del rotor de las mquinas sincrnicas).P = nmero de polos.Puesto que el rotor gira a la misma velocidad del campo magntico, esta ecuacin relaciona la velocidad de la rotacin del rotor con la frecuencia elctrica resultante. La potencia elctrica se genera a 50 o 60 Hz, as que el generador debe girar a una velocidad fija que depende del nmero de polos de la mquina [2].

Voltaje Generado Internamente en un Generador SincrnicoEl voltaje generado (EA) depende del flujo () de la mquina, de su frecuencia o velocidad de rotacin () y de su construccin (K). Esta ecuacin se escribe algunas veces en una forma ms sencilla, que hace nfasis en las cantidades que se dispone durante su funcionamiento [2].

Donde K es una constante que representa la construccin de la mquina, si se expresa en radianes elctricos por segundo, entonces:

En donde,Np = Nmero total de espiras de la fase.kp = Factor de paso.kd = Factor de distribucin.El voltaje interno inducido EA es directamente proporcional al flujo y a la velocidad, pero el flujo en s depende de la corriente que fluye en el circuito de campo del rotor. La corriente de campo (If) se relaciona con el flujo () en la forma que se ve en la Figura N 1(a). Puesto que EA es directamente proporcional al flujo, el voltaje generado internamente EA se relaciona con la corriente de campo, tal como se muestra en la Figura N 1(b). Esta grafica se llama curva de magnetizacin o la caracterstica de vaco de la mquina [2].

Figura N 1. a) Dibujo del flujo versus la corriente de campo de un generador sincrnicob) Curva de magnetizacin de un generador sincrnicoFuente: Quintero, M. 2CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRNICOEl circuito equivalente completo de un generador se muestra en la Figura N 2, la cual ilustra una fuente de potencia de cc durante la alimentacin del circuito de campo del rotor, representada por la inductancia de la bobina y su resistencia en serie. Hay una resistencia graduable Raj, en serie con RF, que controla el flujo de la corriente de campo. El resto del circuito equivalente consiste en las representaciones de cada fase. Cada fase tiene un voltaje generado internamente con una inductancia en serie XS (que consiste en la suma de la reactancia del inducido y la auto inductancia de la bobina) y una resistencia en serie RA. Los voltajes y corrientes de las tres fases estn desfasados en ngulos de 120, pero en lo dems, las tres fases son idnticas [2].Estas tres fases pueden conectarse en Y o en . Si se conectaran en Y, la tensin en los bornes VT se relaciona con el voltaje de fase V por:

Si se conectan en , entonces:

Figura N 2. Circuito Equivalente Completo de un Generador Sincrnico Trifsico Fuente: IEEE. Quintero, M. 2GENERADOR SINCRNICO BSICOUn generador sincrnico convierte energa termomecnica en energa elctrica. La potencia mecnica del impulsor gira la flecha del generador en el cual el campo de Corriente Continua (C.D.) est instalado. En la Figura N 3 se ilustra una mquina simple [13].

Figura N 3. Generador Sincrnico BsicoFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13].

La energa del impulsor puede ser obtenida de quemar combustibles fsiles tales como carbn, petrleo o gas natural. El vapor producido gira la flecha del generador (rotor) a velocidades tpicas de 1800 3600 RPM. La conversin de la energa del vapor a rotacin mecnica es hecha en la turbina. En plantas nucleares, el uranio, a travs del proceso de fusin, es convertido en calor, el cual produce vapor. El vapor es forzado a travs de la turbina de vapor para rotar la flecha del generador. La energa del impulsor puede tambin ser obtenida por cada o movimiento del agua. Los generadores hidroelctricos giran ms lento (alrededor de 100-300 RPM) que las turbinas de vapor [13].

GENERACIN DISTRIBUIDASegn [2], actualmente la definicin de Generacin Distribuida est en controversia ya que varios autores la definen de maneras distintas, entre los ms destacados estn: Fuente de potencia elctrica conectada directamente a la red de distribucin o en el lado del consumidor. Sistemas que producen por lo general energa en forma DC o AC de frecuencia variable, por lo que requieren una interface con la red elctrica. Produccin de electricidad con instalaciones que son suficientemente pequeas en relacin con las grandes centrales de generacin, de forma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema elctrico. Colocacin de pequeas unidades generadoras cerca del consumidor, donde el valor obtenido es mayor que el valor que el servicio recibido de la red. Todas aquellas fuentes de energa elctrica que se conectan en las redes de distribucin elctrica. Produccin de energa elctrica a travs de instalaciones de potencia reducida, normalmente por debajo de 1000 kW.Dicho esto, se puede definir Generacin Distribuida como generacin o almacenamiento de energa elctrica a pequea escala. La cual permite producir, almacenar y administrar la energa en el mismo lugar de consumo considerando la mxima eficiencia energtica. Entre las fuentes de energa ms frecuentes se tiene: microturbinas, celdas fotovoltaicas, celdas de combustible y dispositivos de almacenamiento [2].

CONEXIN DE GENERADORES A UN SISTEMA DE POTENCIAExisten dos mtodos bsicos principales usados en la industria para conectar generadores al sistema de potencia. Estos son conexiones directa y unitaria [13].

B. Conexin unitariaConexin directa

Figura N 4. Conexin del Generador Sincrnico al Sistema de PotenciaFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13].Conexin directa: en la Figura N 4A se muestra el diagrama unifilar para una conexin directa de un generador a un sistema de potencia. Los generadores son conectados directamente al bus de carga sin transformacin de tensin de por medio. Este tipo de conexin es un mtodo recientemente usado en la industria para la conexin de generadores de tamao pequeo [13].Conexin unitaria: La Figura N 4B se muestra el diagrama unifilar para un generador en conexin unitaria. El generador es conectado al sistema de potencia a travs de un transformador elevador dedicado. La carga auxiliar del generador es suministrada desde un transformador reductor conectado a las terminales del generador. La mayora de los generadores grandes son conectados al sistema de potencia de esta manera, usando un transformador elevador principal con conexin estrella-delta. Al tener la generacin conectada a un sistema delta, las corrientes de falla a tierra pueden ser dramticamente reducidas usando puesta a tierra de alta impedancia [13].

MODELO DE CORTO CIRCUITO DEL GENERADOR SINCRNICOEl circuito elctrico equivalente de un generador sincrnico es una tensin interna en serie con una impedancia. La componente de resistencia de la impedancia del generador es pequea comparada con la reactancia y es usualmente despreciada para clculos de corriente de falla. La Figura N 5 muestra la representacin de componentes simtricas de un generador. El anlisis de componentes simtricas es una herramienta matemtica importante para calcular las corrientes y tensiones del generador bajo condiciones de desbalance [13].

Secuencia Positiva (X1):Se usan tres valores diferentes de reactancia de secuencia positiva. En el circuito equivalente de secuencia positiva, Xd es la reactancia subtransitoria, X'd es la reactancia transitoria y Xd es la reactancia del generador en eje directo. Todos estos valores de eje directo son necesarios para calcular los valores de corriente de corto circuito en diferentes tiempos despus de ocurrido un corto circuito. Estos valores son proporcionados por el fabricante del generador como parte de la hoja de datos de prueba del generador. Puesto que el valor de la reactancia subtransitoria produce el valor de corriente inicial mayor, es generalmente usado en clculos de corto circuito para aplicacin de rels. El valor de reactancia transitoria es usado para consideraciones de estabilidad. Los valores de reactancia no saturada son usados para calcular las corrientes de falla debido a que la tensin se reduce por debajo de la saturacin durante fallas cercanas a la unidad. Puesto que los generadores tpicos son operados ligeramente saturados, la corriente de falla sostenida (estado estable) ser menor que la corriente de carga mxima, a menos que los reguladores de tensin refuercen el campo durante una falla sostenida [13].Representacin Trifsica Equivalente Monofsico

Secuencia positiva

Secuencia negativa

Secuencia ceroFigura N 5. Representacin de Componentes SimtricasFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13]Secuencia Negativa (X2): El flujo de corriente de secuencia negativa es de rotacin de fase opuesta a travs de la mquina y aparece como una componente de doble frecuencia en el rotor. El promedio de la reactancia subtransitoria de eje directo bajo los polos y entre los polos da una buena aproximacin de la reactancia de secuencia negativa. En una mquina de polos salientes, la secuencia negativa es el promedio de la reactancia subtransitoria de eje directo y eje en cuadratura [X2 = (Xd + Xq) / 2], pero en una mquina con rotor cilndrico, X2 = Xd [13].

Secuencia Cero (X0): La reactancia de secuencia cero es menor que los valores de secuencia positiva y negativa. Debido a los altos valores de corriente de falla a tierra disponibles para una mquina slidamente puesta a tierra, una impedancia (reactancia o resistencia) es casi siempre insertada en la trayectoria de puesta a tierra del neutro, excepto en generadores muy pequeos donde el costo de proporcionar tales puestas a tierra en relacin a los costos de la mquina son significativos [13].Como se estableci previamente, la resistencia del devanado del estator es generalmente lo suficientemente pequea para ser despreciada en los clculos de corto circuito. Esta resistencia, sin embargo, es importante en la determinacin de las constantes de tiempo de C. D. de una corriente de corto circuito asimtrica. Para calcular fallas o condiciones de generacin anormales desbalanceadas, las redes de secuencia positiva, negativa y cero son interconectadas. Para las condiciones de falla ms comunes, stas son conectadas como se muestra en la Figura N 6.

Sistema de Excitacin La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores sncronos, se encuentra en su sistema de alimentacin en continua para la fuente de excitacin situada en el rotor [13]. Entre estos tipos de excitacin se tienen:

Excitacin Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta elrotora travs de un juego deanillos rozantesy escobillas.

a) Falla trifsica

b) Falla de fase a fase

c) Falla de una fase a tierra (SLG)

d) Falla de dos fases a tierraFigura N 6. Conexiones de Redes de Secuencia de FallaFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13]. Excitatriz principal y excitatriz piloto: la mquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra mquina de excitacin independiente, accionada por el mismo eje. Electrnica de potencia: directamente, desde la salida trifsica del generador, se rectifica la seal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efecta utilizando una fuente auxiliar (batera) hasta conseguir arrancar. Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado tambin en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la seal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna). Excitacin esttica, consiste en que el devanado de campo del rotor es alimentado desde una fuente de alimentacin a transformador y rectificadores que toma la tensin y corriente de salida del estator. El transformador, de tipo especial, posee dos devanados primarios, llamados de tensin e intensidad, que se conectan en paralelo y en serie a los bornes de salida del estator. El transformador convierte la tensin de salida a una ms baja (30V aprox), que se rectifica y aplica al rotor por medio de escobillas y anillos deslizantes. Es un sistema con autorregulacin intrnseca, ya que al tener el bobinado serie, al aumentar el consumo sobre el generador, aumenta el flujo del transformador y por lo tanto aumenta la excitacin del generador [13].

PROTECCIN DE GENERADORES SINCRNICOSDiferente de otros componentes de los SEP, requieren ser protegidos no slo contra los cortocircuitos, sino contra condiciones anormales de operacin [13]. Entre esas condiciones anormales se tienen:1. Sobreexcitacin2. Sobrevoltaje3. Prdida de campo4. Corrientes desequilibradas5. Potencia inversa 6. Frecuencia anormalBajo estas condiciones, el generador puede sufrir daos o una falla completa en pocos segundos. Se requiere la deteccin y el disparo automtico [13]. La Figura N 7 muestra un diagrama tpico del uso de protecciones para un conjunto transformador- generador.

Figura N 7. Configuracin tpica para generador-transformadorFuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13].En la siguiente tabla se indican la numeracin y funcin de cada proteccin usada en la figura anterior.Tabla N 1. Numeracin y funcin de los dispositivos de proteccinDispositivoFuncin

21Rel de distancia. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en la zona del generador.

24Proteccin de Volts/Hz para sobreexcitacin del generador.

32Rel de potencia inversa. Proteccin de antimotorizacin.

40Proteccin de prdida de campo.

46Proteccin de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador.

49Proteccin trmica del estator.

51 GNRel de sobrecorriente a tierra con tiempo.

51 TNRespaldo para fallas a tierra.

51 VRel de sobrecorriente de tiempo con control de tensin o restriccin de tensin. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en el generador.

59Proteccin de sobretensin.

59 GNRel de sobretensin. Proteccin de falla a tierra en el estator para un generador.

60Rel de balance de tensin. Deteccin de fusibles fundidos de transformadores de potencial.

63Rel de presin del transformador.

62 BTimer de falla de interruptor.

64 FProteccin de falla a tierra del campo.

71Nivel de aceite o gas del transformador.

78Proteccin de prdida de sincronismo.

81Rel de frecuencia. Proteccin de baja o sobrefrecuencia.

86Rel auxiliar de bloqueo y reposicin manual.

87 GRel diferencial. Proteccin primaria de falla de fases del generador.

87 NProteccin diferencial de falla a tierra del estator.

87 TRel diferencial. Proteccin primaria para el transformador.

87 URel diferencial para la proteccin total de generador-transformador.

Fuente: IEEE. Proteccin de Generadores Sincrnicos [13].EL FENMENO DE ENERGIZACIN INADVERTIDALa energizacin inadvertida de generadores sncronos ocurre cuando una unidad, estando fuera de operacin totalmente parada, en proceso de paro o girando en torna flecha es energizada sbitamente en forma involuntaria a voltaje pleno, a travs del sistema al cual normalmente entregara energa. Se recalca que este evento es un fenmeno trifsico, a diferencia del flashover en interruptores, el cual sucede por lo general en forma monofsica [14].

AntecedentesEl fenmeno de energizacin inadvertida ha sido considerado tradicionalmente como un riesgo de seguridad para el personal que labora en trabajos de mantenimiento y hasta la fecha las medidas preventivas que se tomen durante dichas actividades continan siendo de gran importancia. Sin embargo existen otras situaciones que normalmente no haban sido consideradas, adems de que los esquemas de proteccin tradicionales no contemplaban aplicaciones especficas para proteger a las Unidades Generadoras ante este problema [14].

Posibles daos al generador, efecto fsico e impacto al Sistema de PotenciaCuando un generador es energizado a cero (parado) o muy baja velocidad, va a trabajar como un motor de induccin, sufriendo un arranque a voltaje pleno. Durante el perodo de arranque, el estator produce un campo magntico rotatorio que se desliza a frecuencia nominal sobre la superficie del rotor [14]. En ste ltimo se inducen corrientes parsitas por partes metlicas en las que normalmente no circularan en funcionamiento normal, incluyendo los devanados amortiguadores (si los tiene). Esta condicin va a durar hasta que el rotor tome velocidad. Una vez a velocidad nominal (poco menos que nominal, ya que en vaco habr deslizamiento por las prdidas), el flujo de dispersin sobre la superficie del rotor disminuye al disminuir el deslizamiento, pero es difcil estimar si el generador sufrir algn dao fsico durante esta transicin. Esta situacin es parecida a aquella donde el generador opera con corriente de secuencia negativa, de hecho la impedancia de la mquina durante el perodo de alto deslizamiento es la reactancia de secuencia negativa [14]. En general el fenmeno de energizacin inadvertida de Unidades Generadoras puede provocar, si no se toman las medidas necesarias, desde accidentes al personal de mantenimiento, hasta daos severos, principalmente al rotor del generador. Se deben tomar medidas preventivas, que empiezan con la elaboracin de procedimientos de operacin y mantenimiento, circuitos de interlock con cuchillas e interruptores, y finalmente una funcin de proteccin dedicada (50/27) complementada con la funcin de proteccin contra falla de interruptor en Unidades Generadoras [14].

SINCRONIZACIN DE UN GENERADOR

SincronismoEn un proceso de sincronizacin es necesario controlar las diferencias de las seales a sincronizar. Slo cuando se cumplan todas las condiciones, se estar en condiciones de conectarlas [13]. Para ello se mide y calcula la diferencia de tensin en %, la diferencia de frecuencia en % y el ngulo de fase. As mismo tiene en cuenta el retardo de conexin del sistema de conexin/desconexin dando la seal de sincronismo adelantada para compensar ste procedimiento [13]. Cuando las fases del generador elctrico deben alinearse con las fases de una red elctrica a la cual se conecta, proporcionando los comandos respectivos para sincronizar la unidad con una red elctrica externa, o con otra unidad en forma de reparto de cargas o de cada (droop). La funcin debe incluir y desarrollar al menos las siguientes dos estrategias de sincronizacin de forma manual y automtica [13].

ManualEn este modo debe permitir al operador la manipulacin de la velocidad de la turbina para alinear las fases del generador con las fases de la red elctrica a la cual se conecta, as como tambin el cierre del interruptor principal del generador, ofreciendo un monitoreo continuo de la diferencia de fases. La manipulacin es a travs de los comandos de incremento / decremento de la referencia de velocidad del lazo de control respectivo, buscando una lectura mnima de diferencia entre las fases para que el operador ordene el cierre del interruptor y el turbogenerador sea transferido al modo de operacin de Control de Carga [13].

AutomticaEn este modo en coordinacin con la funcin de Control de Velocidad, debe manipular la velocidad de la turbina para alinear las fases del generador con las fases de la red elctrica a la cual se conecta, as como el ordenar el cierre del interruptor principal del generador. La manipulacin debe ser a travs de las seales de incremento / decremento de la referencia de velocidad del lazo de control respectivo, buscando una lectura mnima de diferencia entre las fases para que la presente funcin de manera automtica ordene el cierre del interruptor principal del generador y el turbogenerador sea transferido al modo de operacin de Control de Carga [13].

Segn [3], cuando se desea acoplar en paralelo dos o ms generadores de corriente alterna trifsica se tienen en cuenta factores como tensin entre bornes, frecuencia y desfasamiento entre las tensiones de los generadores. Existen cuatro condiciones primordiales para la operacin en paralelo de generadores: Secuencia de fasesCuando se habla de secuencia de fases se hace referencia al sentido de giro de los polos de la mquina con respecto al arrollamiento del inducido. Segn esto, se pueden dar slo dos tipos de movimiento, en sentido horario o en sentido antihorario y de acuerdo a esto se tiene una secuencia de fases negativa o positiva respectivamente. El orden de las fases debe ser el mismo para todos los generadores, sea este positivo o negativo, y puede comprobarse con la ayuda de un secuencmetro [3]

Igualdad de frecuenciaLa frecuencia de funcionamiento es la medida elctrica de la velocidad mecnica debido a su proporcionalidad. Para poder acoplar generadores en paralelo es necesario que este valor sea comn para todos los grupos, una desigualdad entre frecuencias puede provocar corrientes circulantes entre los generadores, tiene tambin gran influencia en el reparto de carga, durante este proceso cada grupo toma potencia activa de forma proporcional a la velocidad de su motor [3].

Igualdad de voltajeEl voltaje producido en bornes debe ser igual para todos los generadores; es decir, tanto en valor eficaz como en la forma de onda que describen, ya que en caso de presentar diferencias se hace visible una corriente circulante que afecta tanto al generador que la recibe, volvindolo motor, como al que la provee, sobrecargndolo. La diferencia entre voltajes durante el reparto de carga determina la proporcin de potencia reactiva que toma cada generador, para provocarla se acta sobre el regulador de voltaje [3].

Concordancia de fasesLa concordancia de fases indica una coincidencia de valores de voltaje tanto durante el perodo positivo como el negativo. Esta concordancia debe ser similar para las tres fases y suele determinarse comnmente con la ayuda del sincronoscopio el cual mediante una aguja giratoria indica el momento preciso en que se lleva a cabo esta correspondencia [3].

Elementos para la Sincronizacin del GeneradorLos elementos para sincronizacin del turbogenerador con los otros generadores y/o con la red pblica, se deben incluir dentro del suministro del turbogenerador [8]. Se deben incluir los siguientes elementos para realizar la sincronizacin en forma manual y automtica:a) Relevador de sincronismo (25/78).b) Relevador de secuencia incompleta (48).c) Relevadores complementarios y/o auxiliares.d) Interruptores de control.e) Voltmetros.f) Frecuencmetros.g) Indicadores de tensin, frecuencia y sincronismo.h) Sincronoscopio

Equipos y Sistemas para la SincronizacinLos equipos de sincronizacin son necesarios en las centrales donde un generador debe ser acoplado a la red, o en subestaciones que necesitan conectar en paralelo dos lneas de transmisin ya sincrnicas [12].Los interruptores de potencia pueden ser cerrados nicamente si las tensiones en ambos lados del interruptor abierto estn en sincronismo. De lo contrario, se pueden producir perturbaciones en la red, disparo del interruptor, o, en casos extremos, daos en el generador y el transformador [12].Existe un equipo llamado sincronoscopio, que garantiza una sincronizacin segura y fiable tanto en su utilizacin como dispositivo de vigilancia para la puesta en paralelo manual, como tambin en su aplicacin como sistema de sincronizacin independiente totalmente automtica [12].Las reas de aplicacin de un sincronoscopio se muestran en las siguientes figuras: 1. SINCRONOSCOPIOSincronizacin automtica y acoplamiento en paralelo de generadores con la red

Figura N 8. Sincronizacin automtica y acoplamiento en paralelo de generadores con la redFuente: ABB, 122. SINCRONOSCOPIOAcoplamiento en paralelo automtico de lneas sincrnicas y asincrnicas y de barras conductoras de la corriente

Figura N 9. Acoplamiento en paralelo automtico de lneas sincrnicas y asincrnicas y de barras conductoras de la corrienteFuente: ABB, 12

3. Supervisin del acoplamiento en paralelo automtico o manual de lneas ya sincrnicas (Synchrocheck) y conexin de generadores y lneas sin tensin o lneas muertas (Dead Bus)

SINCRONOSCOPIO

Figura N 10. Supervisin del acoplamiento en paralelo automtico o manual de lneas ya sincrnicas y conexin de generadores y lneas sin tensin o lneas muertasFuente: ABB, 12Panel de TransferenciaEl Panel de Transferencia, del tipo digital electrnico, cuenta con monitoreo de carga Inteligente, incorporada que a la vez operar en conjunto con el panel de control del Grupo Generador, para proveer un control totalmente automtico de fallas de la lnea de suministro principal de energa, arrancando el Grupo Generador y transfiriendo la carga de la lnea principal a sta, en el caso de que la lnea principal falle y restaurando la provisin de energa de la lnea principal, retransfiriendo la carga, para luego parar el Grupo Generador. El monitoreo, la regulacin del tiempo y el control lgico del circuito deber estar montado sobre un Panel electrnico microprocesado con display (L.C.D). Para facilitar el acceso al Centro Lgico del Control., ste est montado sobre una puerta de acceso abisagrado con cerradura. La llave de transferencia opera con cualquier voltaje de 3 fases, desde 190 a 480 volts, 50/60 Hz. y que tenga adems la capacidad para trabajar con un sistema monofsico [2].Las conexiones al control de la llave de transferencia son del tipo conector con mltiples contactos con sus conectores. La llave de transferencia, cuenta con un Control de llave bypass, montado internamente en forma estndar, para facilitar ser removido para mantenimientos posteriores, sin interrumpir la provisin de la lnea principal de energa [2].

INSPECCIN Y MANTENIMIENTO DEL GENERADOR ELCTRICODurante la vida operacional de las grandes maquinas rotatorias, es necesario aplicar mantenimientos peridicos, para asegurar una operacin confiable y disminuir o minimizar las salidas no programadas, estos mantenimientos varan en detalle y de los componentes involucrados [1].As mismo, se estn haciendo esfuerzos continuamente para mejorar las prcticas de mantenimiento a la par con los avances tecnolgicos en la industria [1].Una revisin de las experiencias con generadores y excitadores, nos proporciona una arrolladora evidencia de los beneficios que se derivan de un bien dirigido y definido programa de inspeccin de mantenimiento [1].Se han registrado casos de aflojamiento ligero del ncleo del estator, que fueron detectados y corregidos durante las salidas programadas de mantenimiento. El mantenimiento correctivo involucra procedimientos bien definidos tal que, pueden reapretarse las partes flojas localizadas en la inspeccin, restaurar el laminado y torquear o reapretar pernos pasantes y de montaje o soporte [1].Las pruebas dielctricas a los devanados del estator durante las salidas de mantenimiento, han sido exitosas para la deteccin de posibles condiciones de falla incipientes, como la degradacin del aislamiento y sobrecalentamiento en las conexiones de las bobinas. Las pruebas a los grupos traspuestos externos (a las ranuras), dentro de los devanados del estator han sido adecuadas o precisas en revelar indicaciones de riesgo o peligro en las conexiones finales (cabezales), as mismo, en destacar la necesidad de aplicar amarres adicionales al devanado [1].Las inspecciones visuales en los extremos del devanado del estator, frecuentemente resultan en la deteccin de aflojamientos ligeros que son corregidos, antes de llegar al estado donde la disponibilidad de la unidad pudiera ser afectada [1].La experiencia de inspeccin y mantenimiento de los rotores de generadores ha sido, en unos casos, grandemente incrementada por una temprana deteccin y correccin de situaciones posteriormente, haber tenido consecuencias potencialmente serias, un ejemplo es la identificacin y reparacin de un dao entre los devanados polares del rotor, un caso de estos fue detectado antes de que hubiese cualquier dao causante a las partes del rotor que resulto en un dao estructural en los anillos de retencin y terminales o extremo del devanado del rotor [1].Los intervalos de inspecciones mayores varan entre usuarios, de acuerdo a sus filosofas de operacin, experiencia de mantenimiento, demanda del sistema y disponibilidad de la mquina [1].Despus de expirar el periodo de garanta se debe efectuar una inspeccin "Limitada", esta inspeccin involucra un mnimo de desensamble del generador, el rotor no es removido para este tipo de inspeccin se hace cuando la unidad sali de servicio por otra causa, pero se debe fundamentar en las experiencias del mantenimiento [1].Es recomendable efectuar una revisin del generador inmediatamente despus que este estuvo sometido a condiciones severas de falla tales como un corto circuito trifsico, o de lnea a neutro, o una sincronizacin fuera de fase, ya que los esfuerzos mecnicos en los extremos de los devanados pueden deformarles o estresarlos, as como sus soportes en varias veces ms durante las condiciones de fallas que en condiciones normales [1].Una inspeccin inmediata nos da la oportunidad de efectuar reparaciones menores, las que si se defieren podran resultar en un dao mayor con la operacin continua del generador. Normalmente el rotor necesita ser removido para inspeccin despus de este tipo de fallas [1].En el caso de una motorizacin (sin excitacin del campo), se recomienda una inspeccin con particular atencin a los componentes del rotor, tales como anillos de retencin o campanas, cuas y huelgos [1].Los mantenimientos o inspecciones mayores del generador se recomiendan en intervalos de 3 a 5 aos, hacindolos coincidir con paros de la unidad para mantenimiento. Las inspecciones involucran el desensamble para extraer el rotor para permitir una evaluacin ms completa de todas las reas del sistema [1].Un programa de inspeccin de mantenimiento preventivo balanceado, deber basarse en la evaluacin de los componentes, utilizando una serie de pruebas suplementarias a la inspeccin visual esta es esencial para detectar daos mecnicos causados por aflojamiento de componentes, material extrao y evidencias de deterioro de componentes, por esfuerzos trmicos, elctricos o magnticos[1].Toda estrategia de mantenimiento de centrales elctricas debe tener por objetivo principal la disponibilidad mxima de la instalacin a un costo razonable y evitar prdidas de produccin imprevista con los consiguientes gastos suplementarios al tener que disponer de energa alternativa o bien seguro ms cara [1].Podemos distinguir dos formas esenciales de mantenimiento, tal como se observa en la figura [1].

Figura N 11. Formas Esenciales de un Mantenimiento Fuente: IEEE. O. Hernndez. 1O sea en funcin del tiempo o estado, y en funcin de las averas, este ltimo aunque desgraciadamente se utiliza de forma ms frecuente de lo que podamos creer es desaconsejable por el hecho de las graves prdidas que pueden ocasionar y tal como hemos indicado el mantenimiento preventivo en funcin del estado es el idneo para las instalaciones elctricas [1].

Causas que Influyen Sobre la Vida de los Distintos Elementos de las MaquinasLas causas que influyen sobre la vida de los distintos elementos de las maquinas son las que se muestran en la siguiente figura de las cuales vamos a comentar [1].

Figura N 12. Causas de Deterioro de los Distintos Elementos de una Mquina Elctrica Fuente: IEEE. O. Hernndez. 1

CojinetesLa vida de un cojinete est determinado por dimensionamiento correcto en funcin de los esfuerzos que debe soportar y que son conocidos, sin embargo se puede producir esfuerzos no previstos del previsto por vibraciones radiales por un desequilibrio del rotor, esfuerzos axiales anormales provocados por la turbina, disminucin de la refrigeracin por refrigerante en mal estado, lo que puede provocar una dilatacin del cojinete con riesgo de eliminacin del juego radial y por ultimo mal estado del aceite lubricante [1].

AislamientosEl aislamiento de las maquinas elctricas est formado por la combinacin de distintos materiales, antiguamente por asfalto y mica y modernamente por resinas sintticas y cinta de mica [1].La influencia de la temperatura sobre la duracin del aislamiento es compleja pero la interdependencia entre la temperatura y vida que fue sealada por primera vez en 1930 por Mentsinger y continua vigente en nuestros das [1].No es solo la temperatura absoluta la que afecta los aislamientos, sino tambin las variaciones de temperatura por los efectos de dilatacin y contraccin [1].En casos de esfuerzos electromecnicos fuertes, o sea cortocircuitos, provoca esfuerzos suplementarios sobre las cabezas de bobina, que daan mecnicamente el aislamiento [1].Y por ltimo un calado defectuoso de las bobinas en la ranura bien por holgura lateral o flojedad de las cuas provoca movimientos de la bobina que con su roce con la capa daa el aislamiento [1].

Cuerpo MagnticoLa temperatura influye de forma indirecta, sobre la vida del paquete de chapas de las maquinas aislada provocando cortocircuitos magnticos, locales y por consiguiente aumentos localizados muy fuertes de temperatura que afectaran al propio paquete y al bobinado [1].Las vibraciones y el mal apriete en el paquete provoca fuertes vibraciones en los dientes, por causa de la introduccin con deterioro del paquete e inclusive del devanados [1].

Uniones AtornilladasLas variaciones de temperatura con uniones atornilladas de materiales de diferentes coeficientes de dilatacin original del contacto al fallar el contacto elctrico en fase de fuerte solicitacin de corriente aumentan la resistencia y provoca la avera. En los pernos de fijacin del paquete de chapas o uniones interpolares se pueden producir por vibraciones, efectos resonantes que al cabo de ms o menos tiempo pueden provocar la rotura. Igual ocurre con los cortocircuitos que puedan afectar a los tornillos de fijacin de los elementos sujecin de las cabezas e incluso sobre los pernos de anclaje [1].Existen diversos programas de diagnstico los cuales se aplican segn las caractersticas de la mquina y su forma de funcionamiento. Iniciaremos la descripcin del programa de diagnstico del devanado del estator, consideraremos que se trata de uno de los programas ms importantes, sin olvidar evidentemente los otros, pues este resulta ser verdadero corazn de la mquina [1].Antes de entrar en detalle de cada uno de los controles fijaremos los distintos parmetros que afectan al envejecimiento y su influencia, dichos datos pueden observarse en la siguiente tabla. De esta tabla deducimos, dos datos fundamentales a tener en cuenta:

Tabla N 2. Parmetros que afectan al envejecimiento y su influenciaAgentes InfluyentesGAMAInfluencia Sobre Envejecimiento

Tensin3.3 + 15 kV Continuo15 + 60 kV MomentneoMediano (Clase F)Importante (Clase B)

TemperaturaDependiente de la Potencia de la MaquinaMediano Importante

Medio AmbienteDepende de la MaquinaMediano

Fuente: IEEE. O. Hernndez. 1

Afecta ms el envejecimiento del devanado el trabajo continuo a su tensin de servicio que los ensayos dielctricos que pueden efectuarse para elaborar el diagnstico y la temperatura afecta ms a los devanados antiguos de clase B, aun cuando no sobrepasen su temperatura de servicio, que los nuevos sistemas clase F[1].

BIBLIOGRAFIA

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DATOS DEL AUTOR

Perdomo Perdomo, Jorge Enrique. Ingeniero Electricista egresado de la Universidad de Los Andes (ULA) situada en la ciudad de Mrida, del estado Mrida en Venezuela en el ao 1986. Se desempea como docente en el Instituto Universitario de Tecnologa del Estado Trujillo ubicado en la ciudad de Valera en el estado Trujillo en Venezuela, ejerciendo en varias ocasiones la jefatura del Departamento de Mantenimiento de Equipos Elctricos e impartiendo asignaturas tales como: Fsica Elctrica, Circuitos Elctricos I y II, Mquinas Elctricas I y II, Mediciones Elctricas entre otras.