GENERADORES SINCRÓNICOS
UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO
SANTA MARÍA
DEPARTMENTO DE ELECTRICIDAD
Dr. Víctor Hugo Hinojosa
GENERADORES SINCRÓNICOS

Introducción
La generación de energía eléctrica se realiza principalmente con generadores
sincrónicos trifásicos (50 – 60 [Hz]).


Generadores asincrónicos se utilizan en pequeñas centrales hidráulicas y en centrales eólicas.
La elección del tipo de generador, se la realiza en base a la velocidad de rotación
que entrega la máquina motriz empleada:



Turbogenerador de rotor bobinado: sobre 1000 [rpm].
o
Centrales térmicas convencionales ( carbón, petróleo o gas natural): se usan turbogeneradores
de 4 polos con una velocidad de giro de 1500 [rpm], y de 2 polos con 3000 [rpm].
o
Centrales nucleares: para reactores de agua ebullente (BWR) se usan generadores de 1500
[rpm], y para reactores de agua a presión (PWR) se usan de 3000 [rpm].
Polos salientes: bajo 1000 [rpm]. Centrales hidráulicas, motores diesel y eólicas, tienen una
mayor cantidad de polos, lo que permite velocidades de hasta 100 [rpm].
2
Refrigeración

La potencia que puede soportar toda máquina o equipo eléctrico está
determinado principalmente por la temperatura que alcanzan las aislaciones
eléctricas debido al calor producido dentro de la máquina, debido a pérdidas eb
el cobre y en el núcleo (fierro).


Es fundamental la evacuación de calor desde la máquina para evitar
sobrecalentamiento, y por lo tanto reducción de la vida útil.
Hoy en día se construyen turbogeneradores refrigerados por aire, hidrógeno o
agua.

Refrigerados con aire hasta 40 [MVA].

Refrigerados con hidrógeno para potencias mayores a 50 [MVA].

A mayor potencia se pasa a refrigeración por agua. Llegando a potencias de 2000
[MVA] con turbogeneradores de 2 polos y de 2500 [MVA] para 4 polos.
3


El límite de la potencia de los generadores no esta determinado por la
refrigeración sino por problemas de fabricación y transporte.

El rotor de un generador de 1500 [MVA] tiene un peso de 200 [ton].

El peso del estator en cambio llega a 370 [ton].

Dimensiones están alrededor de 4,2 [m] x 4 [m] x 10,6 [m].
Para llegar a mayores potencias hay que mejorar métodos y materiales.
4
SISTEMA DE EXCITACIÓN

Función básica
Provee corriente continua al arrollamiento de campo (Ifd) de la máquina sincrónica
(generador).




A través del control de voltaje y corriente de campo realiza funciones de control y de protección
para una operación satisfactoria del sistema de potencia.
Funciones de control

Control de voltaje en terminales del generador

Control de flujo de potencia reactiva

Mejorar la estabilidad del sistema de potencia
Funciones de protección

Control de límites de capacidad de la máquina sincrónica, del sistema de excitación
y de otros equipamientos.
5

Requerimientos del sistema de excitación

Suministro y ajuste automático de corriente de campo del generador para mantener
un adecuado nivel del voltaje en terminales y en el marco de la curva de capacidad.

Responder a perturbaciones transitorias forzando el campo en forma consistente
con la capacidad de respuesta del generador sin exceder sus límites:
1.
Límite de voltaje de campo  falla del aislamiento del rotor.
2.
Límite de la corriente de campo  calentamiento del rotor.
3.
Límite de carga MVA  calentamiento del estator.
4.
Límite de subexcitación  calentamiento región final del estator.
Los límites térmicos son
dependientes del tiempo y
un corto plazo de
sobrecarga puede
extenderse por 15 a 60
segundos.
6
Calentamiento
de la región final
del núcleo
Corriente de
secuencia cero
del campo
Calentamiento
del estator
Calentamiento
del rotor
7
8
9
10
TIPOS DE SISTEMAS DE EXCITACIÓN


Potencia de excitación: del orden de 2 a 3.5 kW/MVA de potencia nominal.
En base a la fuente de potencia de excitación utilizada se clasifican en:

Sistema de excitación rotativo de corriente continua.

Sistema de excitación rotativo de corriente alterna.

Sistema de excitación estático de corriente alterna.
11
Sistema de excitación rotativo de corriente
continua (Amplidina)

Utiliza generadores de continua (excitatriz) como fuente de potencia de excitación.

Provee la corriente del rotor Ifd a través de anillos rozantes.

La excitatriz es impulsada por un motor o por el eje del generador.

La excitatriz puede ser autoexcitada o de excitación separada.

Con excitatriz autoexcitada la salida de la excitatriz provee su propia tensión de campo.

Con excitación separada el campo de la excitatriz es provisto por una excitatriz piloto
(generador de imán permanente).
12
Sistema de excitación rotativo de corriente
alterna

Utilizan máquinas rotativas AC (alternadores) como fuentes de potencia de
excitación.

El devanado de campo del alternador esta en el mismo eje del rotor del generador
sincrónico, su estator y el rectificador son fijos.

El rectificador es un puente de tiristores cuya salida de voltaje de corriente continua
es electrónicamente controlada.

Con este tipo de arreglo, la corriente continua en el sistema de excitación solamente
fluye en una dirección. Sin embargo, el flujo bidireccional de corriente puede
lograrse usando dos puentes de tiristores colocados en antiparalelo.

La salida de corriente continua del rectificador es conectada al devanado principal
de campo del generador sincrónico a través de un par de anillos rozantes.

Los anillos rozantes pueden ser eliminados por el intercambio de la posición de los
devanados de campo y armadura del alternador.
13
Sistema de excitación estático de corriente
alterna

Su fuente de energía primaria generalmente lo constituye una barra local de
corriente alterna

Usan rectificación controlada para proveer una excitación de corriente continua
ajustable al devanado de campo del generador sincrónico.

El sistema es dependiente de la disponibilidad de voltaje alterno y puede ser
afectado adversamente por fallas cercanas.

Comparadas con las excitatrices rotatorias, las
excitatrices estáticas son mucho más compactas,
menos caras y tienen una respuesta mucho más
rápida.
14
Elementos de un sistema de excitación
Medición de Voltaje y
Compensación de Carga
Estabilizador del Sistema de
Potencia
Medición de
Voltaje DC
Regulador
DC
Ref DC
Excitatriz
Rectificador
Generador
Regulador
AC
Ref AC
Cir. Estab. Sist.
Excitación
Limitador de
Sobrexcitación
Limitador de
Subexcitación
Limitador y Protección
V/Hz
15
Modelación del sistema de excitación
1)
Excitatriz DC (auto o independientemente excitada) o Excitatriz AC
2)
Rectificador (controlado o no controlado)
3)
Amplificadores (magnéticos, rotativos o electrónicos)
4)
Circuitos de retroalimentación para estabilizar el sistema de excitación
5)
Circuitos para la medición y procesamiento de señales.
Medición de Voltaje y
Compensación de Carga
Estabilizador del Sistema de
Potencia
Medición de
Voltaje DC
Regulador
DC
Ref DC
Excitatriz
Rectificador
Generador
Regulador
AC
Ref AC
Cir. Estab. Sist.
Excitación
Limitador de
Sobrexcitación
Limitador de
Subexcitación
Limitador y Protección
V/Hz
16

Excitatriz DC con excitación independiente
Eef  Ref I ef 
d
dt
E X  K X
Donde Kx depende de la velocidad y configuración del devanado de la armadura de la excitatriz
El voltaje E X es una función no lineal de la corriente de campo de la excitatriz
I ef debido a la saturación magnética. E X es también afectado por la carga en
la excitatriz.
La línea del entrehierro es tangente a la parte lineal de la curva de saturación
de circuito abierto (figura 10).
Teniendo que Rg es la pendiente de la línea de entrehierro y I ef denota la
desviación de la curva de saturación con carga de la línea del entrehierro.
I ef 
EX
 I ef
Rg
I ef es una función no lineal de E X y puede ser expresada como:
I ef  E X S e E X 
donde Se EX  es la función de saturación dependiente de E X .
18

Excitatriz DC autoexcitada
Eef  VR  E X
Para esta excitatriz, la salida del regulador V R , esta en serie con el voltaje de campo Eef .
VR  K E E X  S E E X E X  TE
dE X
dt
KE 
Ref
TE 
L fu
Rg
1
Rg
S E  S e E X 
Ref
Rg
El diagrama de bloques también se aplica en la excitatriz autoexcitada. El valor de K E , sin embargo, es
ahora igual a Ref Rg  1 en contraste a Ref Rg del caso de la excitatriz con excitación independiente.

Excitatriz AC y rectificador
La corriente principal de campo del generador I FD representa la corriente de carga de la excitatriz y la
retroalimentación negativa de K D I FD modela el efecto de desmagnetizante de la reacción de armadura.
 Los rectificadores trifásicos de onda completa son frecuentemente usados para rectificar la salida
de voltaje de la excitatriz rotante de corriente alterna.
E FD  FEX VE
FEX  f ( I N )
IN 
K c I FD
VE
Modo 1:
f I N   1.0  0.577I N
Modo 2:
f I N   0.75I N2
Modo 3:
f I N   1.7321.0  I N  si 0.75  I N  1.0
si I N  0.433
si 0.433  I N  0.75
[22]

Amplificadores
Los amplificadores pueden ser magnéticos, rotativos o de tipo electrónico.



Los amplificadores magnéticos y electrónicos están caracterizados por tener una ganancia y
también incluir una constante de tiempo.
La salida del amplificador esta limitada por la saturación o limitaciones de la fuente
de potencia (VRmax y VRmin).
21

Reguladores de AC y DC
La función básica del regulador es mantener la tensión del estator del generador.


El que se usa en operación normal es el de AC.

Algunas funciones de control y de protección actúan a través del regulador AC para
controlar la tensión de campo.

El regulador DC mantiene constante la tensión de campo del generador y se suele
denominar control manual.

Se usa para prueba, arranque y ante fallas del regulador AC.
22

Circuito estabilizador del sistema de excitación

Los sistemas de excitación incluyen componentes con retardos significativos que
producen un pobre desempeño dinámico implicando el requerimiento de una alta
ganancia

Sistemas de estabilización implementados mediante un lazo menor de
realimentación con acción derivativa mejoran el desempeño del sistema de
excitación.
V1  R1i1  sL1i1  sMi 2
V2  R2 i2  sL2 i2  sMi1
V1  R1  sL1 i1
V2  sMi1
V2
sM

V1 R1  sL1
V2
sK F

V1 1  sTF
KF 
M
R
TF 
L1
R
23

Estabilizador del sistema de potencia (PSS)

Utiliza señales estabilizantes auxiliares para modular la tensión de campo del
generador para amortiguar las oscilaciones del sistema.

Utiliza como señales de entrada: la velocidad en el eje, potencia eléctrica y
frecuencia en terminales.

Mejora el desempeño dinámico del sistema de potencia.

Mejora la estabilidad de pequeña señal.
24

Compensación de carga

Los reguladores de voltaje normalmente controlan la tensión en terminales del
generador

El transductor de voltaje y rectificador son modelados por una constante de tiempo
con una unidad de ganancia.

Cualquier caída de voltaje causada por la corriente de carga es compensada usando
una impedancia, y modelada por la expresión de magnitud de voltaje.
25
Modelación completa del sistema de excitación

La estructura de este modelo tiene la ventaja de tener una relación directa entre los
parámetros del modelo y los parámetros físicos

Todas las variables no lineales que impactan en la estabilidad del sistema deben ser
tomadas en cuenta en la reducción del modelo.

La IEEE tiene 12 modelos estandarizados en diagramas de bloque para representar la
gran variedad de sistemas de excitación actualmente en uso.

La señal de entrada principal de los sistemas de excitación es Vc del voltaje del
transductor.

En el primer punto de suma, la señal es substraída del voltaje de referencia Vref y
la salida Vs del PSS.

Señales adicionales, tales como un limitador de baja excitación, intervienen solo
durante condiciones extremas o inusuales.
26
Modelo de excitatriz tipo DC1A
27
Modelo de excitatriz tipo AC1A
29
Modelo de excitatriz tipo AC4A
31
Modelo de excitatriz tipo ST1A
33
Modelo de excitatriz tipo ST2A
35
SISTEMA DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD

El conjunto turbina – sistema de regulación provee un medio para controlar la potencia y
la frecuencia. En la RPF participan todas las unidades (hidráulicas y térmicas).
37
Turbinas hidráulicas
38
Reguladores de velocidad

La regulación de velocidad en máquinas hidráulicas involucra la realimentación del error
de velocidad para generar una acción de control que actúa sobre la posición del
distribuidor.

Para asegurar una operación estable y paralela de múltiples máquinas los reguladores de
velocidad están provistos con una característica de estatismo estacionario (estatismo
permanente R).


Los valores típicos de estatismo permanente son del orden del 5%, es decir una variación de
velocidad del 5% causa un cambio del 100% en la posición del distribuidor o en la potencia de
salida (K=20).
Para una turbina hidráulica, un regulador de velocidad sólo con estatismo permanente
podría no ser satisfactorio.
40

En turbinas hidráulicas es necesario también incluir un estatismo transitorio para asegurar
el comportamiento estable para los valores pequeños de estatismo.

Esto se logra con una reducción de la ganancia transitoria a través de un lazo menor de
realimentación.


La realimentación retarda o limita el movimiento de la compuerta hasta que el flujo de agua y la
potencia de salida tienen tiempo de crecer.
Con este esquema se consigue un estatismo grande (baja ganancia) para desviaciones
rápidas de frecuencia y un estatismo normal (alta ganancia) en estado estacionario.
41
42
Turbinas a vapor y reguladores de velocidad
43
Cross-compound
44
Contenedor de vapor (steam vessel)

Ecuación de continuidad:

Para un cambio en la posición de la válvula, la masa de vapor en el contenedor cambiará a una tasa
proporcional a la diferencia entre el flujo de entrada y el flujo de salida.

Asumiendo que el flujo de salida de vapor es proporcional a la presión del contenedor
(Qout α Po).

Considerando T constante en el contenedor:
: Puede ser determinado de tablas
(función de la temperatura)
45
Laplace:
46
47
Turbinas a gas
48
CONTROL DE FRECUENCIA Y DE POTENCIA
ACTIVA

La constancia de la frecuencia en sistemas interconectados, contribuye a lograr
el funcionamiento estable de los mismos y facilita su control.

En el SEP, caídas de frecuencia importantes pueden resultar en corrientes de
magnetización altas en motores de inducción y en transformadores.

El diseño de los generadores y turbinas se lo realiza a frecuencia nominal.

Funcionamiento normal de los servicios auxiliares en unidades de generación
(alimentación de agua, aire, etc.).

Hora sincrónica.

Funcionamiento de equipos de electrónica de potencia en sincronismo.

Desconexión de cargas por el accionamiento de los relés de baja frecuencia.

La frecuencia de un sistema depende del balance de potencia activa.

Un cambio en la demanda de potencia activa se refleja en todo el sistema por un
cambio en la frecuencia.

Los medios que informan a los generadores sobre los cambios producidos en la demanda y que
comandan cambios en la generación son los sistemas de control para la regulación de
frecuencia:
1) Regulador de velocidad  regulación primaria de frecuencia.
2) Control automático de generación (AGC): regulación secundaria de frecuencia.
3) Control del error de tiempo  regulación terciaria de frecuencia.
49
Un cambio de carga se refleja inmediatamente como un cambio en el torque
eléctrico (Te) en la salida del generador.


Esto causa un desbalance entre el torque eléctrico y el torque mecánico, que resulta en
una variación de velocidad determinada por la ecuación de oscilación (movimiento).

La ecuación de oscilación representa la relación entre la velocidad del rotor como función de los
torques eléctrico y mecánico en el generador.
50
Respuesta del generador a un cambio de carga

El desequilibrio entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica es el que
produce una variación en la velocidad.

Este cambio de potencia eléctrica requerido por la carga es suministrado por la
variación de la energía cinética de las masas rotantes.
51
Respuesta de la carga a desviaciones de
frecuencia
En general la carga de un SEP es una combinación de una gran variedad de
dispositivos eléctricos.


En las cargas resistivas de iluminación y calefacción la potencia eléctrica es
independiente de la frecuencia.

En las cargas motóricas como bombas y ventiladores, la potencia eléctrica cambia con
la frecuencia debido a los cambios de velocidad.
52
Regulador de velocidad sincrónico (a
velocidad constante)

Ajusta la posición de las válvulas o distribuidores para que la frecuencia retorne
al valor nominal o de referencia.

Opera satisfactoriamente cuando un generador alimenta una carga aislada o
cuando un solo generador participa en la RPF.

Con dos o más unidades con regulador sincrónico puede conducir a situaciones de
oscilación en la generación.

Los generadores deberían tener la misma velocidad de referencia.

Si sus frecuencias de referencia difieren levemente cada uno trataría de controlar la frecuencia del
sistema con su propia referencia, conduciendo a situaciones de oscilación en la generación.
53
Reguladores de velocidad con estatismo de
velocidad
Para que exista una distribución estable de cargas entre generadores
conectados en paralelo en el sistema, se debe proveer a los reguladores con
una característica de regulación.


La característica de regulación se obtiene agregando un lazo de realimentación al
integrador.
Regulador de velocidad
Cte. de tiempo del
servomotor
 El regulador de velocidad responde a un control proporcional
con ganancia 1/R.
54
Estatismo de velocidad
El valor de R establece la relación entre la velocidad de estado estacionario y la
carga de la unidad de generación.


R también denominado estatismo permanente se define como el porcentaje de cambio
en la frecuencia, que provoca el 100% de cambio en la potencia de la máquina.
Por ejemplo: R=5 [%],
significa que una variación del
5 [%] de la frecuencia causa
un cambio de la potencia de
salida del 100 [%].
55
Estatismo permanente real
Las turbinas a vapor tienen una serie de válvulas de control con características
no lineales del área de apertura en relación con la posición.



La característica de regulación de velocidad no es constante.

Cada tramo corresponde a la actuación de una válvula.
Las turbinas hidráulicas la relación posición del distribuidor – caudal de agua
que ingresa a la turbina presenta también una característica no lineal.
56

Debido al estatismo permanente el incremento de potencia generado es
acompañado por una desviación de frecuencia de estado estacionario (Δwss).
57
Distribución de carga entre unidades en
paralelo
Si dos o más generadores con regulador de velocidad con estatismo
permanente están conectados a un sistema de potencia existirá una única
frecuencia a la cual se distribuirán la carga.


La variación de potencia generada por cada unidad con estatismo permanente ante
una variación de carga será:
58
Control de la potencia de salida del generador

Cuando dos o más generadores están operando en paralelo, el estatismo
permanente de cada unidad establece la proporción de carga que debe cubrir
ante una variación brusca en la carga del sistema (RPF).

La potencia de salida de la unidad a una velocidad dada puede ser ajustada a
cualquier valor deseado ajustando la referencia o variador de carga de la unidad
(RSF).

El ajuste de la referencia de carga de la unidad es realizado a través del motor del
variador de velocidad.
59
Ajustes en el variador de carga modifican muy levemente la frecuencia del
sistema, dependiendo del tamaño relativo de la unidad frente a la generación
total del sistema.


Los ajustes en el variador de carga son generalmente en forma de rampa.
60
Característica de regulación de un sistema de
potencia

Se debe analizar la operación conjunta de n generadores.

El conjunto de máquinas oscila en forma coherente con una única frecuencia, y
se lo puede representar como un único generador equivalente con una inercia
Meq, donde Meq=Σmi.

La característica potencia/frecuencia de un sistema de potencia depende del efecto
combinado del estatismo de los reguladores de velocidad de los generadores y de las
características de las cargas con la frecuencia.

En un sistema con n generadores la desviación de estado estacionario de la frecuencia ante una
variación de carga es:
61

La Δfss será mínima con la mayor cantidad posible de unidades en la RPF.

La característica de regulación del sistema es:


β se expresa en [MW/Hz], y también es conocida como la rigidez de la red.

La característica de regulación del sistema (generadores y carga) es 1/β.
Incremento de carga ΔPL a frecuencia nominal.
62
Respuesta del sistema regulador de velocidad turbina

Unidad de generación con turbina a vapor con recalentamiento, considerando la
presión de la caldera constante.

El modelo de la turbina a vapor sin recalentamiento corresponde a TRH=0.
63
64
Toberas (steam chest)
65
66
Cámara de vapor (steam chest)
67

Unidad de generación con turbina hidráulica con compensación de estatismo
transitorio.

Debido a la respuesta inicial inversa de las turbinas hidráulica se provee a los
regladores de velocidad con un estatismo transitorio grande y con constantes de
tiempo de resert grande  respuesta lenta.
68
69
70
71
CENTRALES ELÉCTRICAS TÉRMICAS
MUCHAS GRACIAS!!!
Dr. Víctor Hugo Hinojosa
victor.hinojosa@usm.cl