Sincronización de Generadores de CC: Mejores Prácticas para Operación en Paralelo y Reparto de Carga

Operación en Paralelo de Generadores de CC – Condiciones, Ventajas y Reparto de Carga

En una red de sistema eléctrico, la energía es suministrada por muchos generadores conectados en una red interconectada. En lugar de usar un solo generador grande, se operan en paralelo muchos generadores pequeños de CC o CA.

A veces, los generadores de CC se usan como planta de respaldo. En algunas condiciones, no siempre es posible tener un generador que cumpla con los requisitos de carga. Por tanto, para satisfacer la demanda, se conectan en paralelo más de una unidad de generadores de CC.

Actualmente, la operación en paralelo de generadores de CC se usa ampliamente en la red para lograr las siguientes ventajas.

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Ventajas de la Operación en Paralelo de Generadores de CC

Las ventajas de la operación en paralelo se enumeran a continuación.

Continuidad del Suministro

La continuidad del suministro es un requisito primordial. Si una central eléctrica consta de una sola unidad generadora, no es posible cumplir este requisito. Porque si el generador único está en mantenimiento o en fallo, toda la central deja de suministrar la demanda de carga. Por tanto, si la central usa un mayor número de generadores en lugar de una sola unidad, puede operar de forma más fiable. La mayoría de los clientes (hospitales, fábricas, etc.) necesitan un suministro ininterrumpido.

Mejor Eficiencia

En las centrales, los generadores están diseñados para operar a plena carga y alcanzan su máxima eficiencia en ese punto. Pero la demanda de energía no es constante; fluctúa entre la demanda punta diurna y la demanda mínima nocturna. Por tanto, es económico usar un generador pequeño durante la noche y uno grande durante el día. Si la demanda aumenta, ambos generadores se conectan en paralelo para satisfacer la alta demanda eficientemente.

Fácil Mantenimiento y Reparación

Los generadores requieren mantenimiento periódico para una larga vida y operación eficiente. Durante el mantenimiento, debe haber otro generador para alimentar la carga. Por tanto, es fácil mantener los generadores. Además, si ocurre una avería, llevará tiempo volver a la operación. En esta condición, otro generador puede usarse para satisfacer la demanda.

Flexibilidad

La conexión en paralelo de generadores ofrece mayor flexibilidad comparada con un solo generador grande. Varios generadores pequeños pueden conectarse juntos y ubicarse en diferentes lugares. Un generador grande único necesita más espacio. En su lugar, varios generadores se instalan en diferentes ubicaciones.

Rentabilidad

El costo de la energía eléctrica se reduce si los generadores siempre operan a plena carga. Cuando la demanda es alta, se conectan más generadores en paralelo. Cuando es baja, menos generadores operan en paralelo. Los demás permanecen en espera. Por tanto, todos los generadores operan bajo condiciones de plena carga, reduciendo el costo de la energía eléctrica.

Fácil Ampliación

La demanda de electricidad aumenta día a día. Por tanto, al construir una central, siempre se prevén espacios para futura expansión. En lugar de construir una central completamente nueva, es fácil añadir más generadores y conectarlos en paralelo para lograr mayor potencia.

Debido a estas ventajas, la operación en paralelo de generadores se usa ampliamente. Como sabemos, los generadores de CC se clasifican en tres tipos:

• Generador de CC derivación (shunt)
• Generador de CC serie
• Generador de CC compuesto

Hay diferencias en la conexión de devanados de inducido y campo en cada tipo. Por tanto, discutiremos cómo conectar cada tipo en paralelo.

Operación en Paralelo de Generador de CC Derivación (Shunt)

Para conectar dos generadores en paralelo, sus terminales positivo y negativo deben conectarse a los terminales positivo y negativo de la barra colectora. La barra colectora es una barra de cobre grueso y sus terminales actúan como terminales de toda la central.

El diagrama de conexión de la operación en paralelo del generador de CC derivación se muestra a continuación.

Aquí, el inducido del generador 1 está conectado a la barra colectora y suministra la carga. Ahora, necesitamos conectar el generador 2. Para ello, debemos conectar el generador 2 con la misma polaridad. De lo contrario, ocurrirá un cortocircuito grave que resultará en daños permanentes.

Antes de conectar el generador 2, el interruptor S está abierto. Un voltímetro se conecta a través del interruptor. Primero, el inducido del generador 2 se acelera hasta la velocidad nominal. La excitación del generador 2 se ajusta hasta que el voltímetro marque cero. Cuando marca cero, significa que la tensión de terminales es la misma que la tensión de la barra colectora o del generador 1.

Por tanto, al cerrar el interruptor S, el generador 2 se conecta en paralelo con el generador 1. Pero el generador 2 no toma carga. Porque la FEM inducida del generador 2 es la misma que la tensión de la barra colectora. Así que no hay corriente fluyendo con la misma diferencia de potencial. En esta condición, el generador 2 se conoce como generador flotante en el sistema.

La FEM inducida del nuevo generador debe ser mayor que la tensión de la barra colectora. En esta condición, el generador 2 entrega carga. La corriente suministrada por el generador 2 es:

Donde:

• R_a = Resistencia del circuito de inducido
• E = FEM inducida
• V = Tensión de barra colectora

La FEM inducida de un nuevo generador puede controlarse controlando el campo. Y controlando la FEM inducida, podemos controlar la participación en la carga.

Operación en Paralelo de Generador de CC Compuesto

El diagrama de conexión de dos generadores compuestos conectados en paralelo se muestra a continuación.

El generador compuesto tiene características crecientes. Por tanto, sin dispositivos correctivos, la operación en paralelo de generadores compuestos de CC es inestable. Al arrancar, cada generador toma la misma participación de carga. Por alguna razón, si la corriente a través del devanado de campo serie del generador-1 aumenta, esto fortalece su campo. Esto resulta en elevar su FEM generada y toma más carga.

En esta operación, asumimos que la carga es constante. Por tanto, la participación del generador-2 se reduce y debilita su campo serie. Esto resulta en la pérdida de su carga. Este efecto es acumulativo. Después de un tiempo, el generador-1 toma toda la carga y el generador-2 opera como motor. En esta condición, el interruptor de cualquiera de los generadores disparará y detendrá la operación.

Para hacer esta operación estable, necesitamos usar un dispositivo correctivo. En esta operación en paralelo, se conecta una barra ecualizadora al extremo del inducido de los devanados serie. La barra ecualizadora es un conductor de baja resistencia. Se usa para hacer estable la operación de generadores sobre-compuestos y nivel-compuestos.

Por ejemplo, el generador-1 empieza a tomar más participación de carga. Su corriente de campo serie aumenta. Ahora, esta corriente aumentada pasa por el devanado de campo serie del generador-1 y parcialmente por el del generador-2. Por tanto, ambos generadores se afectan de la misma manera. Así, el generador-1 no puede tomar toda la carga y el generador-2 no puede perder toda su carga.

Para mantener una operación en paralelo adecuada y reparto igual de carga, la regulación de ambos generadores debe ser la misma y la resistencia de campo serie debe ser inversamente proporcional a las potencias nominales de los generadores.

Operación en Paralelo de Generador de CC Serie

El diagrama de conexión de la operación en paralelo de dos generadores de CC serie se muestra a continuación.

Aquí, consideramos que ambos generadores son idénticos y toman la misma participación de carga. Pero por alguna razón, la FEM inducida del generador-1 aumenta (E1 > E2). En esta condición, la corriente del generador I1 es mayor que I2. Esto resulta en el fortalecimiento del campo serie del generador-1 y debilitamiento del campo serie del generador-2.

Este es un proceso acumulativo. Al final, toda la carga será tomada por el generador-1 y el generador-2 operará como motor. Similar al motor compuesto, este problema se resuelve usando una barra ecualizadora. Y debido a esto, ambas máquinas pasan corrientes aproximadamente iguales a la carga.

Reparto de Carga de Generador de CC

El generador de CC derivación tiene características ligeramente descendentes. Por tanto, es el generador más adecuado para operación en paralelo estable. Si un generador toma más o menos carga, debido a su tendencia a restaurar la división original de carga, ambos generadores toman inmediatamente el reparto adecuado.

En condición de fallo, un generador sale de servicio y su campo se debilita. En esta condición, el campo serie del otro generador aumenta. Así, el interruptor se abre y el generador defectuoso se desconecta del sistema. Este método de desconexión y conexión hace el sistema fiable y ayuda a prevenir choques y perturbaciones repentinas en el motor principal y en el sistema.

La característica de tensión del generador derivación se muestra a continuación.

De la característica anterior, para la misma tensión de terminales V, el generador-1 entrega corriente I1 y el generador-2 entrega I2. El generador-1 tiene característica más descendente y entrega menos corriente. Ambos generadores dividirán la carga igualmente en todos los puntos si sus características son similares y tienen la misma caída de tensión de vacío a plena carga.

Si dos generadores de diferentes potencias kVA se conectan en paralelo, la carga se comparte según sus potencias. Sus características externas trazadas en términos de porcentaje de corriente de plena carga deben ser idénticas como se muestra a continuación.

Por ejemplo, un generador de 100 kVA y otro de 200 kVA conectados en paralelo con carga de 240 kW. En esta condición, el primer generador compartirá 80 kW y el segundo 160 kW.

La característica combinada de operación puede trazarse si conocemos la característica individual de cada generador. La corriente suministrada por cada generador puede encontrarse en la siguiente figura.

Los resultados anteriores pueden encontrarse por cálculo simple en lugar de representación gráfica si el generador tiene línea recta. Ahora, calculamos la porción de reparto de carga que tiene tensión de vacío desigual.

• E₁, E₂ = Tensión de vacío de dos generadores
• R₁, R₂ = Resistencia de inducido
• V = tensión de terminales común

De la ecuación anterior, vemos que la tensión de barra colectora puede mantenerse constante aumentando Φ₂ o N₂ o reduciendo N₁ o Φ₁. N₂ y N₁ se cambian variando la velocidad de los motores impulsores y Φ₁ y Φ₂ pueden controlarse usando resistencias de campo derivación.