Regulación de tensión y frecuencia en alternadores: acoplamiento y sincronización

TMA 4

Regulación de la tensión en alternadores

Los límites máximos de variación de la tensión en las líneas de transporte será del ± 7 % sobre la tensión nominal según el Real Decreto 1995/2000.

Y lo que ya mantener constante, dentro de los límites, la tensión en bornes de un alternador, existen 2 posibles soluciones:

• Variar sobre la f.e.m.
• Variar la carga.

Evidentemente es mucho más fácil actuar sobre la f.e.m. generada en el alternador, recordando la expresión de la f.e.m. que viene dada por:

Siendo el flujo del polo una función de la corriente de excitación (i₁) que lo recorre, sin más que variar dicha corriente, obtendremos la regulación de la tensión del alternador.

En resumen, la regulación de la tensión del alternador deberá efectuarse cuando éste se aparte del valor de régimen establecido, utilizando relays sensibles a la tensión, que de forma automática controlan la excitación, aumentándola o disminuyéndola según los casos.

Este proceso debe realizarse en muy poco tiempo, ya que las variaciones de tensión a que diera lugar son imperceptibles.

A tal fin se define factor de respuesta que caracteriza la rapidez con que se puede obtener la tensión máxima de la excitación, como la relación:

En grandes máquinas el factor de respuesta debe ser de lo 0,5, es decir, que para una tensión de excitación nominal de 250 V, la velocidad de crecimiento debe ser de lo 125 V/seg. La velocidad de respuesta es particularmente importante en el caso de cortocircuitos, puesto que la corriente de excitación deberá aumentar con la rapidez necesaria, hasta el límite de la conservación del sincronismo.

*El regulador de tensión es el relay encargado de mantener la constancia de la tensión en el alternador, bajo cualquier circunstancia, actuando sobre la corriente de excitación del devanado inductor.

Esquema de principio de un alternador exento de escobillas

Fundamento básico: el devanado inductor debe ser recorrido por una corriente continua obtenida por el siguiente procedimiento.

Con el fin de eliminar el colector de anillos con respecto a reguladores antiguos se ha instalado equipo rectificador en el propio rotor de la máquina, consiguiéndose por tanto la eliminación del sistema de escobillas y su colector, además de quedar eliminada la fuente de las posibles averías. En la actualidad este es un montaje esencial que se utiliza, bien alimentado desde la propia tensión del generador o de la fuente exterior.

Reguladores automáticos: clasificación

Para conseguir la regulación que mantenga sensiblemente constante la tensión para cualquier régimen de funcionamiento es necesario el concurso de los reguladores automáticos, que atendiendo al tiempo de actuación los podemos clasificar en:

• Rápidos
• Lentos

Y según el tipo de acción tenemos:

• De acción directa o rostáticos. Este tipo de regulador resulta lento cuando la carrera de regulación es de un valor considerable, debiendo llevar un sistema de transmisión multiplicador para reducir el tiempo de regulación. Puede emplearse en máquinas de pequeña potencia, donde la corriente de excitación (i₁) no supere los 10 amperios.
• De acción indirecta. Estos reguladores resultan igualmente lentos, pues nuevamente nos encontramos con la necesidad de desplazamientos relativamente largos con velocidades más bien reducidas, impuestas por el reductor que debe llevar el motor, al objeto de precisar sus movimientos en el desplazamiento del cursor del reóstato de campo. No obstante, su empleo sigue siendo igualmente necesario, cuando la potencia de la máquina exige corrientes de excitación fuertes, para las cuales se necesita sobredimensionar la resistencia y contactos del reóstato de campo, precisando mayores fuerzas mecánicas para su accionamiento.
• De acción mixta. Se utilizan para evitar los inconvenientes que representa la lentitud de funcionamiento de los reguladores de acción directa, estando por tanto constituidos por cualquiera de los citados y por un regulador rápido tirrity, el cual solo entra en funcionamiento para variaciones bruscas e importantes de la tensión, sin estar por tanto sometido al desgaste interno de un servicio continuo.
• De estado sólido, estáticos electrónicos (sin órganos móviles). Representan la última generación en cuanto a reguladores de tensión, funcionan sin órganos móviles, está basado su funcionamiento en la utilización de semiconductores, de forma que a partir de la tensión de consigna o prefijada, son capaces de hacer variar la corriente de excitación del inductor del alternador, sin mediar enlace mecánico alguno, utilizando tan solo elementos electrónicos. Presenta por tanto este sistema numerosas ventajas respecto de todos los descritos, como son:
  • Ausencia del reóstato de campo.
  • Eliminación de órganos móviles.
  • Velocidad elevada de respuesta.
  • Aumento notable del rendimiento.

Acoplamiento de alternadores: métodos de acoplamiento

Es evidente la necesidad de acoplar alternadores para ajustar la producción de energía eléctrica a la curva de demanda de la misma. En principio los alternadores, como cualquier máquina eléctrica se pueden acoplar de 2 maneras:

• En serie.
• En paralelo.

Acoplamiento en serie de alternadores: el acoplamiento en serie de alternadores tiene por objeto conseguir una tensión elevada, suma de las tensiones de ambos alternadores. Resulta de ello un funcionamiento inestable para receptores de tipo inductivo o mixto-inductivo.

Para que el acoplamiento sea posible se debe verificar que las frecuencias de las corrientes generadas sean iguales (f₁ = f₂) y además es conveniente que las f.e.m. sean iguales y que estén en fase, de tal suerte que la tensión se obtiene por suma aritmética de las tensiones de ambos alternadores.

El sistema permanecerá estable siempre y cuando las frecuencias de las f.e.m. generadas en cada alternador sean iguales; lo que implica que en el caso de alternadores del mismo número de polos, las velocidades de ambos rotores sean iguales. Si por cualquier circunstancia alguno de los alternadores perdiera velocidad, los vectores correspondientes a sus respectivas f.e.m. se defasarían hasta el punto de poder llegar a estar en oposición de fase, dando como resultante la tensión nula.

Se produce la notable discrepancia entre las frecuencias respectivas y la tensión resultante nula, por lo que podemos deducir que el acoplamiento en serie de alternadores es totalmente inestable.

Únicamente puede ser estable el acoplamiento en serie de alternadores alimentando a circuitos inductivos, si los ejes de ambos alternadores están unidos mecánicamente, puesto que en esta situación no se pueden producir discrepancias entre las velocidades de ambas máquinas o si alimenta a cargas capacitivas exclusivamente.

En cuanto a las potencias, teniendo en cuenta que:

Se cumplirá:

Por lo que en resumen tenemos que:

Acoplamiento en paralelo de alternadores, condiciones de acoplamiento: las condiciones de acoplamiento de alternadores en paralelo o de 1 alternador a la red, son las siguientes:

• Los sistemas polifásicos de las tensiones de los alternadores o de la red a la que se va a acoplar, deben tener el mismo número de fases y la misma secuencia.
• Las frecuencias deben ser iguales.
• Que los valores eficaces de las tensiones de los alternadores sean iguales.
• Que las tensiones homólogas de alternadores o alternador y red, estén en oposición de fase, lo que significa que la diferencia de tensiones entre bornes homólogos del interruptor de conexión debe ser nula en el instante de conexión.

Suponiendo un retraso del alternador 2 respecto de su posición de sincronismo:

Generando en cada alternador las potencias de valor:

Puesto que:

El significado de los signos de las potencias sincronizantes:

• La potencia sincronizante 1, puesto que es positiva, implica que es una potencia cedida, funcionando por tanto la máquina 1 como alternador.
• La potencia sincronizante 2 que es negativa, significa que esta máquina ha pasado a funcionar como motor.

Consecuentemente el alternador 1 se sobrecarga, puesto que además de suministrar la potencia al circuito receptor, ha de suministrar la potencia sincronizante 1, perdiendo por tanto velocidad, mientras que el alternador 2 suministra ahora la potencia menor, diferencia entre la potencia que suministra al circuito receptor - la potencia sincronizante 2, por lo que tenderá a aclararse restableciendo la oposición entre las f.e.m. y las condiciones de acoplamiento.

Resulta por tanto un funcionamiento estable.

Existe un límite de estabilidad a partir del cual se perdería el sincronismo; en efecto, si el ángulo δ existente entre la posición que debería ocupar el vector f.e.m. y la que ocupa en realidad debido a un retraso de la rueda polar del alternador, alcanza a superar los 180°, dado que para este ángulo, el coseno de δ/2 vale cero, resultará entonces la potencia sincronizante nula y para valores superiores, las potencias sincronizantes cambiarán de signo, rompiéndose por tanto el sincronismo o desacoplándose la máquina como suele decirse.

Maniobra de acoplamiento de alternadores

Antes de cerrar el interruptor de acoplamiento de un alternador, se deben verificar las 4 condiciones de acoplamiento. En cuanto a la primera condición, igualdad del número de fases de alternador y red, es permanente y solo debe comprobarse en general la primera vez que se va a acoplar el alternador. Las 3 condiciones restantes son condiciones momentáneas que deben siempre cumplirse y verificarse en el instante mismo del acoplamiento en paralelo.

Es necesario por tanto un dispositivo que indique la igualdad de las tensiones y frecuencias y el instante exacto de cerrar el interruptor de conexión del alternador a la red, este dispositivo recibe nombre de sincronoscopio.

Sincronoscopio de lámparas apagadas: el equipo consta de 3 lámparas incandescentes de tensión igual, cuando es la tensión compuesta de la red y 2 voltímetros. Estas lámparas, en tanto las tensiones de alternador y de barras no sean iguales y no presenten la misma frecuencia, se encenderán y apagarán continuamente, presentando por tanto un centelleo, con la periodicidad correspondiente al desvío de la frecuencia.

Regulando la excitación del alternador para igualar las tensiones que medimos con los voltímetros conectados a bornes de alternador y barras de la central y accionando el regulador de velocidad del órgano de impulsión primario que mueve el alternador, conseguiremos obtener las 3 condiciones de acoplamiento. Las oscilaciones del centelleo se irán haciendo cada vez más largas, facilitando la maniobra de conexión que se realizará en el momento en que las 3 lámparas estén apagadas, puesto que en ese momento necesariamente se tiene que verificar que las frecuencias son iguales y están en oposición de fase y con ambos voltímetros comprobaremos que los valores eficaces son iguales.

Este sencillo método presenta el inconveniente de que las lámparas de incandescencia dejan prácticamente de lucir cuando la tensión aplicada desciende por debajo del 40 % de la tensión nominal.

Sincronoscopio de lámparas encendidas: para evitar el inconveniente de la incertidumbre se prefiere sincronoscopio de lámparas encendidas, puesto que se precisa mejor el instante de máximo brillo que el instante de apagado con tensión nula.

Las 3 lámparas de tensión nominal doble de la tensión compuesta de la red, se conectan a fases distintas siguiendo un orden cíclico, debiéndose cerrar el interruptor de acoplamiento en los instantes en que las lámparas simultáneamente presenten máximo brillo. Para ello actuaremos sobre la excitación del alternador y sobre la velocidad del órgano de impulsión.

Los 2 sincronoscopios, de lámparas apagadas y encendidas presentan el grave inconveniente de que en ausencia de otro medio de información no se sabe si se debe aumentar o reducir la velocidad del motor de accionamiento para tender a igualar ambas frecuencias.

Sincronoscopio de lámparas mixto: para determinar si se debe aumentar o disminuir la velocidad del órgano de impulsión obteniendo así igualdad en las frecuencias, se prefiere sincronoscopio de lámparas mixto, en el cual 3 lámparas de incandescencia están dispuestas en los vértices de un triángulo equilátero, conectadas una sobre la misma fase de barras y alternador y las otras 2 fases cruzadas.

Si la velocidad del alternador es inferior a la de sincronismo, la luz gira en un sentido y cuando es mayor en sentido contrario. Por tanto una vez definido el signo del sentido de giro de la mancha luminosa, se sabe ya de antemano si se debe aumentar o reducir la velocidad del alternador a acoplar. El instante de conexión viene determinado por la fijada de la mancha luminosa, que corresponde al apagado de la lámpara 1 y al máximo brillo simultáneo de las lámparas 2 y 3.

Columna de sincronización: en instalaciones de mayor importancia, ya sea por el número de máquinas a acoplar o por la potencia de las mismas, se emplea un conjunto de aparatos montados sobre un brazo saliente del cuadro de maniobra y medida de la central, compuesto por 2 voltímetros, 2 frecuencímetros, 1 voltímetro de cero y 1 sincronoscopio de aguja giratoria, cuya misión es indicar en qué sentido debe modificarse la velocidad del alternador, para obtener la igualdad de frecuencias. En cuanto al voltímetro de cero nos indica la oposición de fase entre las tensiones de alternador y barras.

Solo cuando las frecuencias de las corrientes aplicadas a ambos circuitos sean distintas, aparecerá giro del rotor con su aguja (sincronoscopio de aguja), indicando en todo momento las actuaciones necesarias para lograr el sincronismo, según el sentido de giro de la aguja, que si gira por ejemplo hacia la derecha significa que hay que disminuir la velocidad del órgano de impulsión y si gira hacia la izquierda, aclarar el motor primario, hasta que se consiga que la aguja permanezca inmóvil posicionada en su marca central superior.

Regulación de la frecuencia y potencia de los alternadores

Existe necesariamente un equilibrio entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica producida, pero si aumenta la potencia eléctrica se rompe este equilibrio y el alternador pierde velocidad, en cuyo caso la frecuencia de las corrientes generadas disminuiría de valor puesto que:

Siendo:

• f = frecuencia de las tensiones generadas en Hz.
• p = pares de polos del alternador.

Perdiéndose por tanto una de las condiciones de acoplamiento, lo que conduciría a la rotura del mismo; el razonamiento sería a la inversa en el caso de una disminución de la potencia eléctrica exigida, pero la conclusión la misma:

Variación de la frecuencia y pérdida del sincronismo.

De lo dicho se deduce que la regulación de la frecuencia y potencia, se limita a la regulación de su velocidad, para mantener constante la frecuencia, dictada ésta por un órgano mecánico electrónico, denominado regulador de velocidad, el cual a través de dispositivos de servomando, actuando en el caso más simple abriendo o cerrando la admisión de agua o vapor para turbinas hidráulicas o térmicas, o en el caso de motores diésel o gasolina actuando sobre el paso del combustible. Evitar la salida de sincronismo manteniendo constante la velocidad y con ella la frecuencia, pues ambos factores están ligados, se emplean los reguladores de velocidad dinámicos o estáticos, a través de las curvas de respuesta que deberán ser iguales a la de la máquina objeto de control.

Al acoplar en paralelo 2 alternadores y dibujar las curvas de máxima y mínima velocidad de los reguladores, en función del coeficiente de insensibilidad de los mismos, aparece la zona de indecisión rayada en la figura adjunta, que determina las potencias extremas o_b y o_c que generaría el alternador (1) y o'_b ó o'_c que generaría el alternador (2). La zona de indecisión es tanto menor, cuanto más próximas estén las curvas extremas (menor coeficiente de insensibilidad) y mayor sea la caída de frecuencia o de velocidad de los reguladores.

Los reguladores de velocidad deben cumplir:

1. Un coeficiente de insensibilidad lo menor posible. Se define así el coeficiente de insensibilidad (c_i) de un regulador como la diferencia entre frecuencias límites, compatibles con la posición dada de los órganos de regulación y la suma de las mismas, es decir:
2. Una importante caída de velocidad con la carga, aunque no demasiado elevada, por que conduciría a continuas oscilaciones de la frecuencia al variar la carga y sucesivas modificaciones de los reguladores. Recordemos que la caída de velocidad suele estar comprendida entre el 3 % y 5 % desde la marcha en vacío a la de plena carga, debiendo ser uniforme, es decir una característica recta.
3. La mayor igualdad posible entre las caídas de velocidad de los reguladores de las diferentes máquinas, para tener automáticamente un reparto proporcional de las cargas.

Regulación de la frecuencia por una central guía: agente repartidor

Es necesario suministrar la energía demandada por medio de centrales interconectadas, sobre todo si pertenecen a distintas empresas generadoras de energía eléctrica, con arreglo a un programa previamente establecido, en el cual varias centrales tienen asignada la carga constante para cada intervalo de tiempo, con la frecuencia sensiblemente constante.

En caso de ser varias las centrales implicadas, cada jefe de central obraría por su cuenta sin conocimiento de cuál será la actuación del resto de jefes de central implicados en el sistema, y en todo caso, no todos actuarían al mismo tiempo, originando variaciones que darían lugar a oscilaciones de potencia, y si por casualidad se llegase a un cierto equilibrio de frecuencia, sería con repartos de potencia arbitrarios en cada central probablemente, por lo que se precisa una sola dirección con el conocimiento exacto de todas y cada una de las situaciones de las centrales, para decidir con qué potencia deberá contribuir cada central, debiendo acatar todas las centrales estas órdenes; al encargado de estas operaciones se le denomina agente repartidor.

Como es natural, el agente repartidor debe disponer en el mejor de los casos, de telemando y telemedida de cada una de las centrales, puestas bajo su jurisdicción.

Maniobra de desacoplamiento o desconexión de 1 alternador a la red

Cuando no se necesita la potencia generada por él, y esto es dictado por aumentos de la frecuencia en el sistema eléctrico, se efectúa del siguiente modo:

1. Se disminuye gradualmente la potencia suministrada por el mismo, actuando para tal fin sobre el órgano de impulsión primario, disminuyendo su potencia hasta que el amperímetro del dicho alternador marque cero o corrientes muy pequeñas.
2. Se abre el interruptor de acoplamiento del alternador al sistema.
3. Se disminuye la corriente de excitación, hasta conseguir una tensión nula o muy pequeña. No deberá interrumpirse nunca la corriente de excitación, hasta no abrir desconectado el alternador de la red, pues en caso contrario, el inducido recorrido por las corrientes atrapadas en el sistema, puede crear f.e.m. peligrosas en las bobinas inductoras.
4. Aplicar los frenos de inmovilización paulatinamente, hasta conseguir el frenado del rotor del alternador.