Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática IE – 431 Sistemas de Control MONOGRAFÍA Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica GRUPO: 002 INTEGRANTES: Alexánder López Francisco Rodríguez Pablo Dompe PERIODO: 2º Semestre de 2003 IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 i TABLA DE CONTENIDO 1.0 Introducción............................................................................................... 2 2.0 Plantas hidroeléctricas (Generalidades) ................................................... 3 2.1 Esquema de la obra ......................................................................................................... 3 2.1.1 Embalse o río .......................................................................................................... 3 2.1.2 Obras de conducción............................................................................................... 4 2.1.3 Tanques de oscilación............................................................................................. 4 2.1.4 Tuberías de alta presión .......................................................................................... 4 2.1.5 Casa de máquinas.................................................................................................... 5 2.1.6 Obras de desfogue................................................................................................... 6 2.1.7 Subestación adjunta ................................................................................................ 6 2.1.8 Líneas de transmisión ............................................................................................. 7 2.1.9 Turbinas .................................................................................................................. 7 2.1.10 Generadores ............................................................................................................ 9 2.2 Requerimientos en los sistemas de Potencia................................................................... 9 3.0 Sistemas de control en una central hidroeléctrica.................................. 10 3.1 Importancia del control en la central ............................................................................ 10 3.2 Algunas deficiones importantes acerca del control automático.................................... 11 3.3 Regulador de velocidad................................................................................................. 12 3.3.1 Regulación de la velocidad por medio del caudal de agua en la turbina .............. 13 3.3.2 Regulación de la velocidad por medio de la regulación de carga......................... 19 3.4 Regulador automático de voltaje (AVR) ...................................................................... 27 3.4.1 Regulador automático de tensión (AVR) Electrónico .......................................... 28 3.4.2 Regulador automático de tensión (AVR) compuesto ........................................... 32 3.5 Estabilizador de sistemas de potencia (PSS) ................................................................ 34 3.6 Análisis matemático de los diferentes dispositivos de control ..................................... 36 3.7 Acciones de mantenimiento en reguladores ................................................................. 47 3.8 Consideraciones finales sobre los sistemas de control en la central ............................. 48 4.0 Conclusiones............................................................................................. 51 5.0 Bibliografía............................................................................................... 51 6.0 Apéndices.................................................................................................. 53 IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 1 RESUMEN El presente trabajo describe las algunas apliaciones de los sistemas de control en una central hidroeléctrica como lo son los sistemas de regulación de frecuencia y de voltaje. Se hace una descripción de los elementos de la planta y su interacción con los sistemas de control; además se describen los tipos de sistemas de control y las características de los mismos. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 2 1.0 Introducción El presente trabajo esta enfocado en las aplicaciones de los sistemas de control automático en las plantas de generación hidroeléctrica. Se expondrán los componentes principales de las plantas hidroeléctricas y las variables a controlar a fin de mantener el sistemas operando de la forma más optima posible; se hará una breve descripción de los sistemas de control para cada variable controlada, así como una explicación de la teoría relacionada con ellos y su disposición e interacción en la planta como un conjunto. Se hará un especial énfasis en los sistemas de control del voltaje de salida, así como la frecuencia, en esta sección se hará una explicación del funcionamiento teórico de los reguladores de velocidad, de voltaje y el estabilizador de sistemas de potencia; se mostrarán algunos esquemas de reguladores típicos y se explicará su funcionamiento y características particulares, finalmente se mencionarán algunos fabricantes de los mismos y se harán comparaciones entre los diferentes dispositivos y técnicas de regulación. Se hará alguna mención de los dispositivos de protección automáticos de la planta como relés de sobrevoltaje, de sobrecorriente, etc; así como los sincronizadores automáticos, relés de secuencia de fase y otros. Finalmente en los apéndices se mostrarán algunas tablas y fichas técnicas de los dispositivos en cuestión. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 3 2.0 Plantas hidroeléctricas (Generalidades) 2.1 Esquema de la obra Una planta hidroeléctrica está constituida por diversidad de componentes entre los cuales se pueden mencionar: un embalse (tipo acumulativo) o un río (planta a filo de agua), obras de conducción (canales abiertos o tuberías a presión), tanques de oscilación, tuberías de alta presión, casa de máquinas, turbinas, generadores, tuberías de desfogue, centro de control, controladores, etc. Dentro de este grupo sólo se hará una mención rápida de los primeros elementos y se focalizará la atención en el estudio de los dispositivos de control. 2.1.1 Embalse o río En el caso de tratarse de una planta de gran tamaño es necesario la construcción de un embalse para la acumulación del agua; en el caso de plantas pequeñas no siempre es necesaria la contrucción de dicha obra, bien podrían operar con el caudal directo de un río, esta operación se conoce como a “planta a filo de agua”. Figura N° 1 – Represa ubicada en el curso medio del Río Tajo, España IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 4 Figura N° 2 – Embalse proyecto hidroeléctrico Arenal, Costa Rica 2.1.2 Obras de conducción A menudo la casa de máquinas está ubicada lejos del embalse, por lo tanto es necesario la realización de obras de conducción para llevar el agua hasta allí. Se puede utilizar canales a abiertos o ductos cerrados. Los canales abiertos no son a presión por tanto el agua no transporta tanta energía como en los ductos cerrados, sin embargo su costo es menor y se emplean para distancias largas. Los ductos cerrados son a presión por tanto la energía transportada por el agua es mayor, su costo es elevado por tanto sólo se utilizan en distancias cortas. 2.1.3 Tanques de oscilación Son estructuras generalmente cilíndricas que absorben las sobrepresiones y golpes de ariete del agua cuando se abren o cierran las válvulas. 2.1.4 Tuberías de alta presión Son las tuberías que conducen el agua hacia las turbinas, por lo general son reforzadas debido a las altas presiones a las que están sometidas, la presión se eleva para aumentar la fuerza de empuje del agua. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 5 Figura N° 3 – Tubería de alta presión, Planta Hidroeléctrica Arenal, Costa Rica 2.1.5 Casa de máquinas Es la edificación donde se hallan los equipos principales de la planta como las turbinas, los generadores, y los dispositivos de control. Figura N° 4 - Casa de máquinas, Planta Hidroeléctrica Arenal, Costa Rica IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 6 2.1.6 Obras de desfogue Están constituidas por los conductos que llevan el agua desde las turbinas hacia el exterior; por lo general estos conductos terminan en una zona que forma un estanque de captación, y luego continúan su cauce normal aguas abajo. Figura N° 5 – Tanque de captación, Planta Hidroeléctrica Arenal, Costa Rica 2.1.7 Subestación adjunta La salida de potencia eléctrica de los generadores es llevada a una subestación donde se eleva el voltaje hasta el nivel deseado para la transmisión a fin de reducir las pérdidas en las líneas. Figura N° 6 - Subestación adjunta, Planta hidroeléctrica Arenal, Costa Rica IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 7 2.1.8 Líneas de transmisión Finalmente la subestación se conecta a las líneas de transmisión y la potencia es distribuida al resto del circuito. Figura N° 7 – Líneas de transmisión, planta hidroeléctrica Arenal, Costa Rica 2.1.9 Turbinas Son los mecanismos mecánicos que proveen la energía necesaria para hacer girar el rotor del generador, existen diferentes tipos de turbinas pero las más utilizadas son las tipo Pelton, Francis y Kaplan. Las diferencias entre ellas son varias y cada una posee cualidades particulares para el rango de aplicación involucrado, así las turbinas Pelton son preferibles para caídas de agua grandes y poco caudal, las Francis son para caídas de agua medias y caudales grandes, y las Kaplan son para caídas bajas y caudales variables, la aplicación de un tipo de turbina u otro obedece a los criterios de diseño hidraúlicos que exceden las pretensiones de este texto. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 8 Figura N° 8 – Corte lateral de una turbina Pelton Figura N° 9 – Rodete de una Turbina Francis de gran tamaño IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 9 Figura N° 10 – Rodete de turbina Kaplan 2.1.10 Generadores Es la máquina encargada de convertir la energía hidraúlica en eléctrica, por lo general se utilizan generadores sincrónicos, sin embargo también es posible el uso de máquinas asincrónicas, los elementos componentes del mismo y su funcionamiento no serán mencionados en este texto y se asumirá que se poseen conocimientos adecuados sobre los tópicos relacionados con los mismos. 2.2 Requerimientos en los sistemas de Potencia Para evaluar la calidad del servicio eléctrico se utilizan algunos parámetros pero los más importantes son: estabilidad del voltaje bajo cualquier condición de carga y la frecuencia de alimentación. Con respecto a la estabilidad del voltaje se refiere a que el valor nominal del voltaje debe mantenerse dentro de cierto rango previamente establecido sin importar la condición de carga en cualquier punto del sistema; la frecuencia debe mantenerse en un valor determinado no solamente para la protección de los equipos conectados al sistema sino también para evitar problemas de desincronización de los generadores. El perfil de tensión en las líneas de transmisión se mantiene constante por medio de técnicas de compensación reactiva; en el generador el voltaje de salida se mantiene a un valor determinado por medio de un dispositivo llamado “Regulador automático de voltaje” ó AVR por sus siglas en inglés, el cual se analizará más adelante. La frecuencia del generador es un parámetro sumamente importante en un sistema de frecuencia pues afecta el funcionamiento de los otros dispositivos, así que debe mantenerse IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 10 dentro de un rango muy estricto, para ello se utiliza un controlador de velocidad del rotor, esto a menudo se logra variando la apertura de las válvulas de alimentación de la turbina. Si se supone que el generador está conectado a un sistema muchísimo más grande (barra infinita) la potencia activa entregada puede regularse por medio de la velocidad del rotor sin alterar la frecuencia; la potencia reactiva entregada puede controlarse por medio de la corriente de excitación de la armadura. Ambas se controlan independientemente. El presente trabajo analizará en particular el regulador automático de voltaje, el regulador de velocidad y un dispositivo conocido como PSS ó estabilizador de sistemas de potencia. Además de estos existen otros dispositivos de puesta en marcha, protección, etc. Pero sólo se verán algunos y de manera muy escueta. 3.0 Sistemas de control en una central hidroeléctrica 3.1 Importancia del control en la central La calidad del servicio se mide entre otras cosas por la estabilidad de la tensión bajo las diferentes condiciones de carga, así como la frecuencia de alimentación; dicha calidad debe mantenerse aún desde la generación, así que se debe controlar el voltaje de salida de los generadores, así como la frecuencia a la cual entregan potencia a la red; esto se logra por medio de controladores automáticos que a lo largo del tiempo han ido evolucionando desde los tipos más rudimentarios neumáticos hasta sofisticados microcontroladores, todo ello con el único fin de asegurar la calidad del servicio. El control en la central no solamente se aplica a dispositivos eléctricos sino que también los controladores deben verificar condiciones de equipos mecánicos como las compuertas y válvulas, la posición de los álabes, etc. Se necesita un especial cuidado en lo referente al control de la frecuencia pues esta variable es de suma importancia en la red, así que los controladores han ido modernizándose día con día para conferirle al sistema y a los usuarios la seguridad de recibir un servicio de calidad al cual pueden conectar sus equipos. La moderna central hidroeléctrica está casi completamente automatizada y se deja al operador un mínimo de acciones a tomar como la puesta en marcha, el paro, y ciertas acciones correctivas pertinentes. La estabilidad del sistema también es controlada por un dispositivo automático diseñado para tal fin conocido como PSS o estabilizador de sistemas de potencia, dicho dispositivo realiza autómaticamente las correciones en los generadores para evitar que se produzcan oscilaciones electromagnéticas en el sistema, esto ocurre por lo general por diferencias de velocidad entre los rotores de generadores que operan en paralelo. La complejidad de los sistemas que se controlan así como el comportamiento aleatorio de la planta hace imprescindible el uso de sistemas de control automático a fin de mantener los requerimientos de calidad y estabilidad, de hecho la operación de las modernas plantas de generación hidroeléctrica sería imposible sin dichos sistemas. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 11 3.2 Algunas deficiones importantes acerca del control automático A continuación se listan algunos términos utilizados en la teoría de control automático. Sistema: Combinación de elementos ordenados que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo. Planta: Planta se denomina a cualquier equipo. Por convención se le llamará planta a cualquier equipo físico que ha de ser controlado. Perturbación: Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. La presencia de estas señales en un sistema en mayor o menor grado, es lo que justifica el uso de redes de realimentación y sobre todo de reguladores. Salida: Variable de interés que se desea mantener dentro de un rango determinado, incluso ante la afluencia de perturbaciones. Referencia: Entrada del sistema. Señal de mando directamente utilizable por el sistema, y que indica al controlador el valor deseado de la salida del sistema. Controlador o Regulador: Parte del sistema que mantiene la salida dentro de un ámbito permitido, con variaciones muy lentas y pequeñas (o sin variaciones) respecto a la referencia, esto a pesar de la presencia de perturbaciones. Actuador: Amplificador y muchas veces transductor, que permite el acople entre la señal de salida del controlador (señal de baja potencia) con la variable manipulada de la planta. El esquema general del control realimentado es el siguiente: Figura N° 11 – Diagrama de bloques del sistema de control realimentado IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 12 3.3 Regulador de velocidad El objetivo de este dispositivo es ejercer control sobre la velocidad de la turbina para que el generador suministre energía eléctrica con una frecuencia lo más cercana posible a la deseada, en particular a 60 Hz, aún cuando se presenten perturbaciones tales como variaciones de la carga, disparo de otra fuente de generación, etc. En el caso de que el generador este acoplado a un sistema interconectado (barra infinita) la frecuencia no se ve afectada pues el sistema interconectado es mucho más grande que el generador e impone su frecuencia al mismo, así que en este caso el gobernador permite ajustar la potencia activa entrega por el generador. Es importante mantener la frecuencia dentro de un rango muy preciso para evitar los problemas que puede ocasionar a los equipos conectados al sistema el cuadro siguiente enumera algunas consecuencias. Tabla N° 1 – Efectos negativos debido a una operación en baja frecuencia Equipo/Dispositivo Efecto Motor eléctrico Puede dañarse por exceso de corriente en los devanados Motor eléctrico Podría no arrancar Lámparas incandescentes Menor iluminación (debido a la baja tensión) Lámparas fluorescentes No encienden Alternador Puede causar una caída de voltaje en el sistema y sobrecalentarse Tabla N° 2 – Efectos negativos debido a operación en alta frecuencia Equipo/Dispositivo Efecto Lámparas incandescentes Se queman o duran menos Motores Pueden averiarse Alternador Puede dañarse por velocidad excesiva En aquellas centrales hidroeléctricas que no tienen un sistema de regulación de la velocidad, una variación en la demanda de energía inmediatamente producirá un cambio en la velocidad de giro de la turbina; por lo tanto el alternador empezará a girar a otra velocidad diferente de la sincrónica con la consecuente variación de la frecuencia y en el voltaje de línea. Por esta causa cuando se prevee que en el sistema existirán continuamente variaciones en la demanda es necesario instalar algún sistema de control que mantenga constante la velocidad de la turbina. Existen básicamente dos maneras de controlar la velocidad del grupo generador-turbina: a) Por regulación del caudal de agua en la turbina b) Por regulación de la carga IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 13 3.3.1 Regulación de la velocidad por medio del caudal de agua en la turbina Para obtener una velocidad constante del grupo generador existiendo una demanda variable es necesario que en todo momento la potencia disponible al ingreso del grupo generador sea igual a la potencia eléctrica de salida de este más las pérdidas internas del grupo: Potencia ingreso = Potencia salida + pérdidas Este equilibro se logra regulando la cantidad de agua que ingresa a la turbina, de tal manera que si se produjera un aumento en la demanda se abrirá una válvula que permite el mayor ingreso de agua a la turbina ocasionando que la potencia generada se iguale a la demanda. Esta regulación se puede realizar de forma manual o automática; en este texto sólo se analizará la regulación automática. La regulación automática de la velocidad por regulación de caudal proporciona un sistema con frecuencia y voltaje estables. Este sistema se emplea cuando se prevé que en el sistema eléctrico existirán grandes fluctuaciones instantáneas en la demanda. Existen reguladores de velocidad del tipo oleomecánicos, taquimétricos, electro- mecánicos, electro-hidraúlicos. El flujo se controla por medio de los álabes giratorios en las turbinas de reacción (Francis, Kaplan) y por la válvula de aguja o el deflector de chorro en las turbinas de impulso (Pelton). El gobernador mueve los álabes directrices o la aguja como respuesta a los cambios de velocidad que resultan de las variaciones de carga o de la altura hidraúlica. La estrategia de control generalmente utilizada es la Proporcional Integral Derivativa (Controladores PID). En la figura N° 12 se muestra el diagrama esquemático de un gobernador mecánico- hidraúlico que permite comprender el funcionamiento general de estos sistemas. Figura N° 12 – Esquema de un regulador de velocidad IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 14 Como se ve en esquema a a la salida del generador se conectan sensores de frecuencia y de voltajes estos toman dicha señal y la transmiten al controlador al cual se le alimenta el valor deseado de frecuencia o de voltaje, la señal de estos controladores actúa sobre algún dispositivo de acción o actuador, en el caso del controlador de frecuencia si la frecuencia disminuye transmite la señal al mecanismo de control de la válvula para dejar pasar más agua y por tanto la velocidad de la turbina aumenta y la frecuencia también, en general el controlador trabaja como regulador. Los reguladores de velocidad deben reunir ciertas cualidades técnicas como minimizar las variaciones de la frecuencia y minimizar el tiempo que demora en reestablecer la frecuencia nominal. En la figura N° 13 se presenta un diagrama esquemático de un mecanismo típico de control de velocidad del tipo oleomecánico (uno de los más antiguos). Figura N° 13 – Mecanismo típico de control de velocidad oleomecánico El dispositivo mostrado en la figura N° 13 es del tipo mecánico y es uno de los más rudimentarios que actualmente se usen, sin embargo ejemplifica claramente la operación del regulador. Sus partes constitutivas son las siguientes: Péndulo: Consiste en contrapesos que giran a una velocidad proporcional a la velocidad de giro de la turbina. La acción de la fuerza centrífuga sobre estas masas detecta los cambios que ocurren en la velocidad nominal de trabajo. Su función es la de captar estas variaciones en la velocidad y transmitir un movimiento para el cierre o apertura del paso de agua a la turbina. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 15 Figura N° 14 – Péndulo de un regulador de velocidad del tipo oleomecánico Bomba de aceite: Por lo general el sistema de mando para el cierre o apertura del paso de agua se realiza a través de un circuito con aceite a presión. Este sistema usualmente trabaja con una o más bombas de desplazamiento positivo, tal como las de engranajes, que pueden ser movidas desde la turbina por medio de fajas y poleas. Figura N° 15 – Bomba de aceite de tipo de engranes Válvula de distribución de aceite: Esta válvula tiene la función de distribuir el flujo de aceite hacia la dirección apropiada en caso de que se trate de un cierre o apertura del paso de agua. La posición de esta válvula es controlada básicamente por el péndulo. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 16 Figura N° 16 – Válvula de distribución de aceite Servomotor: Es el cilindro hidráulico que ejerce la fuerza sobre los órganos reguladores de caudal de la turbina, es decir sobre el distribuidor o sobre la válvula de aguja. Los dispositivos distribuidores del aceite, como la válvula de distribución y el péndulo, no tienen energía suficiente como para mover los elementos reguladores de caudal de las turbinas. Por ello necesitan de un mecanismo que amplifique la fuerza utilizando la presión de aceite proveniente de las bombas de desplazamiento positivo. Mecanismo de retroalimentación: Es un mecanismo regulable que interrumpe a tiempo el curso de la regulación y lleva a la válvula de distribución a su posición de equilibrio consiguiendo la estabilidad de las oscilaciones de la velocidad de la turbina en un tiempo reducido. Cuerpo del regulador: Es una carcasa de protección de los elementos que componen el regulador de velocidad. Generalmente el carter o depósito de aceite forma parte del cuerpo del regulador. Funcionamiento: Se supuso un ajuste en el cambiador de velocidad (referencia o valor deseado) hacia abajo, lo que significa un aumento en el valor deseado de velocidad. Esto hará que el punto C, y con este, en menor proporción, la válvula piloto, suban cierta distancia. Luego el aceite a presión entra a la cámara superior del pistón principal, lo que produce una acción de abertura en la entrada de agua a la turbina. El aumento de la abertura produce inicialmente una pérdida de presión del agua, por lo que la velocidad de la turbina tiende a disminuir; sin embargo, una vez que la columna de agua a través de la tubería de presión reaccione y aumente el caudal, la velocidad de la turbina aumentará hasta alcanzar un régimen estable en el que la fuerza del IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 17 resorte R y la fuerza centrífuga de las masas rotatorias m se equilibran, restableciendo el pistón del distribuidor a su posición original (cerrando la entrada de aceite a presión). Es importante observar con este sistema una de las principales características de los elementos integradores; siempre que exista una diferencia entre el valor deseado de velocidad y la velocidad de la turbina existirá una abertura en la entrada de aceite a presión a la válvula piloto, lo que hace que el pistón de potencia se mantenga desplazándose en un sentido. Esto garantiza que la velocidad de la turbina alcance un régimen permanente con un error de velocidad nulo, respecto al valor deseado. En la siguiente figura se muestra la curva de reacción típica del regulador oleomecánico, se observa que en el caso de un piston rígido el sobrepaso máximo es mayor al igual que el tiempo de asentamiento; mientras que si se utiliza una compensación elástica para el pistón el sobrepaso máximo es menor y el tiempo de asentamiento es mucho más corto. Figura N° 17 – Curva de reacción típica de un regulador oleomecánico IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 18 Algunos resultados de laboratorio obtenidos para un regulador oleomecánico pequeño en pruebas realizadas por el SKAT (Swiss Centre for Appropiate Technology) son los siguientes: Tabla N° 3 – Resultados de pruebas del regulador mecánico hidráulico desarrollado en el SKAT Los fabricantes de estos reguladores de velocidad como Escher Wyss, Voight, Woodward, Neyrpic, etc; proporcionan en cada caso las características técnicas del regulador como son las siguientes: • Velocidad de giro del péndulo o taquímetro • Velocidad de giro de la bomba de aceite • Carrera del servomotor: distancia que puede recorrer el pistón del servomotor • Capacidad de trabajo: En Kgm, es el producto de la máxima fuerza que se requiere para accionar el mecanismo de admisión del agua a la turbina y la carrera del motor • Regulación o ajuste de velocidad: Rango de velocidades en el cual el regulador funciona perfectamente, a menudo se expresa en porcentaje. • Estatismo permanente: Diferencia entre la velocidad de vacío y plena carga, se expresa en porcentaje • Constante de tiempo del sistema de amortiguación • Tiempo de cierre total • Grado de insensibilidad (%): variación de velocidad necesaria del péndulo para que se inicie la regulación. • Capacidad de aceite: Cantidad de aceite requerido • Máxima presión de operación de aceite • Peso total del regulador (Kg) IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 19 Algunas desventajas de este tipo de reguladores son las siguientes: • Requieren de mantenimiento regular y riguroso, sobre todo el filtro de agua • Son muy pesados • Muy costosos • No se pueden variar durante la operación • Rango reducido de velocidades disponibles • No se puede mejorar la característica de estabilidad del sistema • Produce sobrepresiones en las tuberías • Poseen tiempos de respuesta lentos • Difícil fabricación y montaje 3.3.2 Regulación de la velocidad por medio de la regulación de carga A diferencia de la regulación por caudal de agua en la que en todo momento la turbina regula el paso de agua con el fin de igualar la potencia generada con la demanda para mantener la velocidad de giro constante, en los sistemas de regulación de carga el grupo generador entrega una potencia constante; esto es, no hay regulación de caudal de agua. No obstante, debe cuidarse que el grupo genere una potencia mayor o igual a la máxima potencia esperada en la demanda. El exceso de potencia generada se disipará en forma de calor a través de una resistencia sumergida en agua o al aire. Esta regulación también se puede realizar de manera manual o automática, siendo esta última la más utilizada y la que se analizará en este texto. Con el fin de lograr soluciones más económicas y sencillas en el mantenimiento y operación de los reguladores automáticos de velocidad, en la actualidad se ha desarrollado y utilizado el sistema de regulación electrónica de carga. Este tipo de control no consiste en controlar el caudal de agua que ingresa a la turbina, sino que el alternador produce una potencia constante y el regulador electrónico de carga, a través de tiristores deriva la energía no consumida por la demanda a un sistema de disipación de energía. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 20 A continuación se muestra el esquema general del regulador: Figura N° 18 – Esquema general de regulación electrónica de carga Algunas ventajas de los reguladores eléctricos respecto a los mecánicos son: • Simplificación en el diseño de las turbinas al no ser necesaria la regulación de caudal • Gran sensibilidad aún a pequeñísimas variaciones de frecuencia • Mayor velocidad de reacción • Ninguna limitación para la selección de los parámetros que intervienen en la regulación • Posibilidad de variar durante la operación la regulación • Se puede implementar mediante medios externos un variador de los parámetros del controlador para mejorar sus características de estabilidad • Facilidad de operación • Muchísimo menor necesidad de mantenimiento • Menor costo monetario • Facilidad de fabricación y emsamblaje • No produce sobrepresiones en las tuberías por cierre y apertura de válvulas IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 21 Componentes del regulador: Los reguladores electrónicos de carga se componen básicamente de cuatro unidades: Fuente de poder: Toma la energía del alternador y se encarga de suministrala en corriente directa y en el nivel de voltaje requerido por todos los circuitos electrónicos que componen el regulador. Unidad de control y protección: Es el corazón del regulador y consiste en los circuitos sensores de frecuencia, voltaje y corriente. Además contiene los relés, interruptores y fusibles de protección. Unidad de potencia: Contiene los circuitos de disparo para regular la cantidad de energía que se disipa en la carga de lastre o secundaria. Además contiene los tiristores y relés en caso de regulación escalonada. Principio de funcionamiento: Existen básicamente dos sistemas de regulación electrónica de carga: regulación analógica (continua) y regulación digital (escalonada). Regulación contínua o analógica: Se logra mediante el uso de tiristores o rectificadores controlados de silicio (SCR), los cuales permiten el paso de corriente hacia la carga secundaria (lastre) sólo cuando reciben una pulsación de disparo proveniente del circuito de control de disparo. Estas señales se suceden cada medio ciclo, y el tiristor permite el paso de corriente hasta que la onda llega a cero. Haciendo variar las pulsaciones de pase de 0° a 180° se puede variar el flujo de corriente hacia la carga secundaria y, por lo tanto, la energía que se disipará en ella. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 22 Figura N° 19 – Variación en la forma de onda de la corriente en la carga de lastre en función del ángulo de disparo del tiristor El proceso de control de frecuencia se realiza comparando la frecuencia del generador con una señal de referencia pre-establecida. Se compara estos dos valores y se emite una señal diferencial que va a un circuito integrado de control, y luego al circuito de disparo donde se controla el ángulo de fase de las pulsaciones. Existe un circuito de control por fase, así como una carga de lastre por fase. Cuando la señal diferencial es cero el ángulo de fase y por tanto la carga de lastre permanecerán constantes. Cuando se producen variaciones de carga y por tanto de frecuencia, entonces la señal diferencial toma un valor diferente de cero; luego se producen variaciones en el ángulo de disparo y por tanto, en la carga de lastre, hasta que la frecuencia vuelva a estabilizarse, entonces la señal diferencial volverá a cero. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 23 La empresa GP Electronics de Inglaterra fue la precursora del uso de un sensor de corriente además del sensor de frecuencia para hacer las correcciones en el ángulo de disparo, con lo que se logra una respuesta más veloz para cualquier cambio en la demanda. Una desventaja que se atribuye al sistema de regulación continua o analógica es que al cortar las ondas de corriente se provocan interferencias en las señales de radio, pudiendo afectar la recepción de ondas de radio en la zona. Esto se ha reducido con la adición de bobinas en cada fase de la carga de lastre; además se ha comprobado en la práctica que las interferencias que pudiesen existir no son de importancia. Un esquema de regulador de velocidad por variación de carga analógico se muestra de forma simplificada a continuación. Figura N° 20 – Esquema típico de un regulador de velocidad elecrónico analógico Sus partes principales son: T: Turbina G: Generador 1: Generador taquimétrico acoplado directamente al generador y que alimenta el órgano sensible a la velocidad. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 24 2: Circuito resonante por medio del cual se recibe la señal del generador taquimétrico y que representa el órgano sensible a la velocidad, los dos circuitos se encuentran en resonancia para dos frecuencias equidistantes de la nominal y la diferencia de sus corrientes da una señal de corriente proporcional a la desviación de la frecuencia. 3: Dispositivo “variador de velocidad” que permite variar el valor base de la frecuencia y está constituido por un potenciómetro alimentado por una tensión continua del circuito del generador taquimétrico. 4: Es un transductor de apertura que sirve para proporcionar el efecto de estabilización y se encuentra conectado al árbol del servomotor principal y suministra una tensión que es proporcional a la apertura o posición del servomotor. 5: La tensión del transductor (4) se aplica a este circuito con resistencia R y capacitancia C en serie, cada variación de tensión se manda al amplificador. 6: Representa el amplificador que opera con una señal de corriente transitoria que corresponde a la carga y descarga del condensador C. Se puede obtener un estatismo practicamente permanente mediante el circuito (6) que se deriva del mismo transductor de apertura y que tiene una resistencia ajustable. 7: Es el dispositivo programador de apertura y que introduce una señal al amplificador 8: Potenciómetro asociado al programador de apertura Regulación escalonada o digital: El procedimiento de control es muy similar al caso analógico, la diferencia radica en que no se corta la onda de corriente, sino que utiliza un sistema de relés que actúa cuando la onda de corriente tiene un valor nulo, en ese momento se conectan o desconectan pequeñas cargas resistivas en la carga de lastre. Estas cargas tienen valores fijos y por lo general se utilizan varias cargas o resistencias de valores diferentes con la finalidad de que el regulador tenga un amplio margen para realizar las combinaciones más adecuadas para el cambio de carga que se ha producido. Entre mayor sea el número de escalones de regulación mayor precisión en el control se obtendrá pero el costo será mucho mayor. En la figura siguiente se muestra la respuesta del regulador para diferentes variaciones de la carga. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 25 Figura N° 21 – Respuesta de un regulador electrónico de carga monofásico a cambios bruscos en la carga Una ventaja que posee la regulación digital respecto a la continua es que al no cortar las ondas de corriente y realizar una regulación por pasos o escalones no se producen interferencias en las ondas de radio. Características técnicas de los reguladores electrónicos de carga Los fabricantes de reguladores electrónicos por lo general proporcionan las siguientes especificaciones de sus reguladores electrónicos: 1. Respuesta a la aplicación o retiro del 100% de la carga: Desviación transitoria de la frecuencia: menos de 0.25s 2. Estatismo de 0% a 3% (regulación digital) 3. Temperatura máxima de operación: 55°C 4. Tipo de alternador a utilizar: cualquiera que trabaje con voltajes y frecuencias nominales entre 100-500 volts y entre 45 y 65 Hz 5. Tipo de demanda: indiferente (capacitiva, inductiva o resistiva) 6. Tipo de carga de lastre a utilizar: de 10% a 20% mayor que la máxima demanda esperada 7. Factor de potencia de la demanda: mayor de 0.7 IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 26 A continuación se muestra una tabla con algunos fabricantes de reguladores electrónicos Tabla N° 4 – Algunos fabricantes de reguladores electrónicos de carga Sistemas de disipación de energía Los sistemas de disipación de energía más usados son: por medio de resistencias calefactoras del medio ambiente o resistencias sumergidas en agua circulante. Resistencias calefactoras de aire: Debe ponerse cuidado en que el ambiente donde se va a instalar las resistencias debe ser un espacio amplio donde exista libre circulación de aire. Resistencias sumergidas en agua: Debe acondicionarse un pequeño tanque donde se instalarán las resistencias. Debe ponerse atención a que en todo momento las resistencias estén sumergidas en agua, y que además exista agua en permanente circulación, lo que se puede lograr sacando una derivación de la tubería de presión. El tanque o depósito de agua se puede construirse de plancha de acero, de concreto o de cualquier otro material que resulte apropiado. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 27 A continuación se muestra un cuadro comparativo para los diferentes sistemas de regulación de velocidad en generadores. Tabla N° 5 – Cuadro comparativo de los diversos tipos de regulación de velocidad 3.4 Regulador automático de voltaje (AVR) Para un funcionamiento adecuado del sistema es necesario el control de la tensión de salida que se logra manteniendo la regulación de tensión en valores estrechos. Hay que recordar que la reacción de la armadura producida por el paso de corriente de carga y su factor de potencia causa un efecto desmagnetizante que hace caer el valor de la tensión generada. La regulación de tensión es la relación porcentual de la diferencia entre la tensión de vacío (sin carga) V 0 menos la tensión con carga V referida a la tensión de vacío; esto se expresa mediante la siguiente ecuación: % 100 V V V (%) g Re 0 0 ⋅ − = ( 1) Este elemento es diseñado para controlar en forma automática el voltaje en los terminales del generador ante diversas condiciones de operación como son variaciones de carga, operación con carga aislada o en paralelo. El AVR (Automatic voltage regulator) funciona de la misma forma que un regulador de voltaje convencional sólo que en este caso la regulación se hace de forma automática y no manual. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 28 La respuesta de un regulador de voltaje deber ser lo más rápida posible para evitar caídas excesivas de voltaje en terminales de los generadores, y con esto, reducir las oscilaciones de potencia reactiva en la red de transmisión luego de alguna perturbación. 3.4.1 Regulador automático de tensión (AVR) Electrónico Principio de operación Es un dispositivo fabricado con elementos de estado sólido montados sobre una tarjeta impresa. Su misión es mantener el nivel de tensión constante a cualquier condición de carga dentro del valor nominal del generador aún con variaciones de la velocidad (5%). Toma como señal la tensión de salida del generador, la compara y emite automáticamente hacia el campo de la excitatriz la corriente continua necesaria para mantener la tensión en el nivel de calibración. Partes del AVR Circuito sensor y comparador: Toma la señal, compara con una referencia precalibrada y detecta el error. Circuito amplificador del error y de control de disparo: Detectado el error, es traducido y retenido por un tiempo, luego del cual se emite la señal que dispara el tiristor. Circuito de control de potencia: Formado por dos diodos de silicio y tiristores. Toma la potencia del mismo generador; según el error y la señal de disparo rectifica la corriente que se aplica al campo de excitatriz para corregir las variaciones de tensión. Circuito de estabilidad: Es un circuito de realimentación de señal para detectar si la correción de excitación es la apropiada. Es calibrable y depende de las características del conjunto AVR y generador. De este circuito depende la velocidad de respuesta del equipo ante cambios bruscos de carga. Circuito de protección por baja velocidad motriz: El AVR básico sólo sensa tensión. Consecuentemente para evitar sobrexcitación por caída en la velocidad de giro estos dispositivos incluyen un circuito que sensa la frecuencia y ante una disminución de la misma por debajo de un valor calibrado dejan pasar menos corriente de excitación de manera que la tensión de salida disminuye proporcionalmente a la caída de velocidad. Este circuito no actúa sobre el regulador de velocidad de la turbina. Este sistema de excitación fue construido especialmente para los generadores sin escobillas por la reducida potencia de excitación que demandan las excitatrices, pero luego se ha extendido su aplicación a los generadores de mayor potencia constituyendo los llamados excitadores estáticos. Los niveles de regulación de tensión se encuentran en valores usuales de 1.5%, llegando hasta 0.25%. El diagrama de bloques siguiente representa la interconexión de funciones entre circuitos para el AVR. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 29 Figura N° 22 – Diagrama de bloques de un AVR electrónico Se observa en el diagrama de bloques que existe un dispositivo llamado estabilidad, este mecanismo corresponde al PSS o estabilizador de sistemas de potencia que se estudiará más adelante. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 30 En la figura siguiente se muestra el esquema de conexión de un AVR a un generador convencional sin escobillas. Figura N° 23 – Conexión de un AVR a un generador sin escobillas La próxima figura también muestra las partes principales que constituyen el sistema automático de control de voltaje del tipo sin escobillas o anillos rozantes. En este caso, el sistema de excitación consiste en un generador auxiliar invertido, cuya bobina de campo está localizada en el estator y la armadura trifásica en el rotor. Este voltaje trifásico generado es rectificado y conectado directamente al campo del generador a través del eje del grupo. Figura N° 24 – Regulador automático de voltaje del tipo sin escobillas IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 31 Existen también los AVR estáticos, en los que la fuente de alimentación utilizada para la excitación es el mismo generador principal, o el servicio propio de la planta. La señal de corriente alterna es rectificada con tiristores y conectada al campo del generador a través de anillos rozantes. El tipo de acción de control normalmente utilizada en los sistemas de control de voltaje se asemeja al tipo proporcional con alta ganancia Kp. Por esto, es normal observar que luego de una variación de carga, el voltaje en terminales no alcanza el valor en régimen permanente nominal, o el valor del voltaje antes de la perturbación (existe un error permanente pequeño). La figura siguiente muestra un esquema de conexión para el tipo de generador de excitador estático. Figura N° 25 – Regulador de voltaje para generador con excitador estático Calibración Tensión: Todo AVR dispone de un potenciómetro para calibrar la tensión desde la misma unidad. Puede existir un segundo potenciómetro que se coloca en el panel de control del equipo generador. El calibrado de este último es posterior al primero y para realizarlo se gira el cursor del potenciómetro en sentido horario si se quiere aumentar la tensión de salida. El calibrado se hace con el generador girando a velocidad nominal y sin carga; el valor no debe exceder del 5% del nivel del valor nominal, salvo indicación del fabricante. Protección por baja velocidad motriz: Los métodos difieren según el fabricante del AVR y es necesario guiarse por el manual respectivo. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 32 3.4.2 Regulador automático de tensión (AVR) compuesto Principio de operación Es un sistema electromagnético sin retroalimentación de señal y está conformado por lo siguiente: • Una reactancia lineal que se encarga de suministrar la corriente para la excitación de la tensión de vacío. • Un transformador de corriente conectado en serie con la carga que incrementa la corriente de excitación para compensar a la reacción de armadura en magnitud y fase • Un puente rectificador donde ambas corrientes se suman geométricamente y se convierten en corriente continua de excitación. Este es un sistema de regulación muy antiguo. Con un buen dimensionado se llega a conseguir regulaciónes de 2% y es usual conseguir que cualquier generador excitado con este sistema tenga una regulación de 3.5%. La aplicación normal es en generadores con escobillas, especialmente los de armadura rotativa, lo cual constituye un sistema bastante robusto y de alta durabilidad. El método de tomar la excitación a partir de la tensión y de la corriente permite al generador tener una gran capacidad para el arranque de motores eléctricos. Cabe notar que la tensión generada depende de la velocidad de giro; por lo tanto está autoprotegido contra sobrexcitación ante caídas de la velocidad. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 33 En la figura siguiente se muestra la conexión de este regulador a un generador monofásico. Figura N° 26 – Conexión de un regulador compuesto a un generador monofásico En la siguiente figura se muestra el comportamiento del regulador para cargas a distinto factor de potencia. Figura N° 27 – Regulación de tensión del AVR compuesto para diferentes factores de potencia Calibración Existen dos formas de calibración de la tensión de vacío y una de ellas o ambas pueden encontrarse en un regulador. 1. Aumentando la longitud del entrehierro en el circuito magnético de la reactancia para aumentar la tensión de salida 2. Variando de posición a la derivación de vueltas de la reactancia hacia el nivel de tensión marcado que se desea IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 34 En general el mantenimiento de los reguladores de voltaje es sencillo, si se trata del tipo compuesto se puede secar la humedad del mismo, o en un caso extremo el rebobinado. Si es del tipo electrónico se puede reemplazar en caso de daño. 3.5 Estabilizador de sistemas de potencia (PSS) El estabilizador de sistemas de potencia tiene una forma variada de control con respecto a las formas realimentadas que se vieron con anterioridad para el regulador de velocidad y de voltaje. No existen en este caso una señal de referencia y se utiliza como actuador el mismo del AVR, tal y como se muestra en forma simplificada en la Figura N° 15. Figura N° 28 – PSS y AVR En los sitemas de potencia se pueden producir diferencias de velocidad entre los rotores e distintos generadores operando en paralelo; esto ocasiona intercambios de potencia entre los generadores, fenómeno conocido como oscilaciones electromagnéticas del sistema. El PSS genera una señal suplementaria a la acción de control del AVR que tiende a amortiguar estas oscilaciones. Como señales de entrada al PSS, se pueden utilizar la frecuencia, la potencia eléctrica, la potencia acelerante, o la velocidad, ya que cualquiera de éstas suministra información sobre el tipo de oscilación que se desea amortiguar. En régimen permanente, sin presencia de oscilaciones electromecánicas, el PSS no debe introducir ninguna señal al lazo del AVR para no alterar el voltaje en terminales. Además normalmente el PSS sólo opera cuando la potencia generada alcance un cierto nivel (60% al 80% de la potencia nominal). Esto porque a bajas potencias el AVR introduce suficiente amortiguamiento al sistema. Otra consideración importante de operación del PSS es que su efecto en el lazo del AVR es limitada, normalmente a un 2% a 10% del cambio del voltaje del generador. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 35 La calibración se realiza por medio de un potenciómetro; en sentido horario la respuesta del sistema es más lenta. Sin embargo, se tiene que girar en ambos sentidos hasta conseguir que la tensión de salida esté sin oscilar. El calibrado se realiza a velocidad nominal y con carga, por lo general se realiza para plena carga. De una forma más rigurosa se puede representar el PSS por su modelo lineal como un diagrama de bloques: Figura N° 29 – Diagrama de bloques del PSS general Las constantes usadas para el PSS dependen de la localización de la unidad en el sistema eléctrico, las características dinámicas del sistema y de la unidad. Los significados de las diferentes variables y constantes involucradas además de los valores típicos de las mismas para diferentes generadores en plantas hidroeléctricas se encuentran en el apéndice A del texto. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 36 3.6 Análisis matemático de los diferentes dispositivos de control Anteriormente se analizaron los reguladores desde una perspectiva cualitativa con algo de fundamentación cuantitativa, en la presente sección se procederá a un análisis más riguroso de los dispositivos de control mediante su representación como diagramas de bloques y se verá su interacción con los diferentes elementos de la central. Un diagrama simplificado del control de excitación es el siguiente: Figura N° 30 – Sistemas de control principales del generador Como se muestra en la figura el sistema esta constituido básicamente por cuatro elementos principales, la turbina, el generador, el gobernador de velocidad (o simplemente llamado gobernador) y el sistema de excitación del generador que incluye en su interior tanto el regulador de voltaje como el estabilizador de sistemas de potencia. Los sistemas de control son de realimentación negativa ambos, en el caso del gobernador la idea es mantener la frecuencia constante, por tanto toma la señal de frecuencia de salida de la turbina (que es la misma del generador) por medio de un sensor de frecuencia, y realiza los ajustes para mantener la frecuencia de salida en el valor deseado de frecuencia REFw. En el caso del sistema de excitación es similar, la salida de voltaje es tomada por el sistema de excitación y ajustada por realimentación negativa hasta lograr el valor deseado de voltaje REF V. El modelo lineal del generador se representa mediante el siguiente diagrama de bloques (se incluye la turbina como parte del modelo): IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 37 Figura N° 31 – Modelo lineal del generator por medio de diagrama de bloques Para efectos de calibración e implementación de sistemas de control resulta más práctico tener un modelo lineal del generador y sobre todo en forma de diagramas de bloques, el desarrollo del mismo y su obtención exceden los objetivos de este texto. Las variables involucradas en el mismo son las siguientes: • Cambios en la potencia eléctrica pequeños • Ángulo del rotor • Voltaje de devanado de campo • Voltaje generado • Cambio en la potencia eléctrica para un cambio en el ángulo del rotor con flujo concatenado constante en el eje directo (constante) • Cambio en la potencia eléctrica para un cambio en el flujo concatenado de eje directo con ángulo de rotor constante (constante). • Constante de tiempo para circuito abierto de eje directo • Factor de impedancia (constante) • Efecto desmagnetizante de un cambio en el ángulo del rotor para estado estacionario (constante) • Velocidad angular del rotor nominal • Variación de potencia mecánica de entrada • H Constante de inercia de la máquina • D Coeficiente de amortiguamiento de potencia IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 38 Matemáticamente se tienen las siguientes ecuaciones que resumen lo anterior: ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 7) La demostración de las ecuaciones anteriores excede el objetivo de este texto. Las constantes K 1 , K 2 , K 4 , dependen de los parámetros de la máquina, la red de potencia a la que esté conectado el generador y las condiciones iniciales de operación. Regulador de velocidad o gobernador Se puede obtener que la ecuación para un regulador de velocidad ideal es: ( 8) donde: • Variación de potencia mecánica de entrada • Variación de la velocidad del rotor • Velocidad angular del rotor nominal • R Regulación de velocidad Añadiendo la ecuación del regulador de velocidad (gobernador) al diagrama de bloques del grupo generador rotor se obtiene: IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 39 Figura N° 32 – Diagrama de bloques del generador incluyendo el regulador de velocidad Se puede obtener del diagrama de bloques la ecuación característica: ( 9) y se observa que se tiene una ecuación de orden 3, a esta ecuación se puede aplicar el criterio de Routh a fin de determinar la estabilidad del sistema. Se utilizan tres modelos básicos para representar los reguladores de velocidad en el dominio de la frecuencia compleja “s”: Un modelo general que se puede ser usado para cualquier tipo de turbina sea de vapor o hidráulica; un modelo de regulador compuesto y un modelo para turbinas hidráulicas únicamente. La constante R representa la regulación de velocidad en estado estacionario y por lo general se establece en un 5%, valor usado en los Estados Unidos. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 40 Figura N° 33 – Diagramas de bloques del gobernador para propósito general Figura N° 34 – Diagrama de bloques para el gobernador compuesto IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 41 Figura N° 35 – Diagrama de bloques para el gobernador de una hidroturbina Los significados de las diferentes variables y constantes involucradas además de los valores típicos de las mismas para diferentes generadores en plantas hidroeléctricas se encuentran en el apéndice A del texto. Sistema de excitación En el sistema de excitación se incluyen el regulador automático de voltaje AVR y un dispositivo extra conocido como PSS o estabilizador de sistemas de potencia que a menudo se incluye dentro de la definición del AVR. El esquema siguiente muestra las partes principales del sistema de excitación. Figura N° 36 – Esquema general del sistema de excitación Se observa de la figura anterior que el sistema de excitación interactúa únicamente con el generador. El sistema de excitación consiste básicamente en un excitador que será diferente IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 42 dependiendo de la tecnología empleada, el tipo de generador, el fabricante, etc. El regulador de voltaje como se analizó anteriormente es variado dependiendo del sistema utilizado; sin embargo, la teoría general y su modelo es el mismo con algunas ligeras variaciones dependiendo del tipo de modelo. El PSS va incluido dentro del AVR. El bloque de control auxiliar de la figura a menudo representa redes de compensación añadidas para prevenir sobrecargas; también puede tratarse de un comparador para establecer el límite mínimo de excitación especialmente en la operación con factor de potencia en adelanto; otros controles auxiliares que a menudo se usan son para realimentación de la velocidad, frecuencia, aceleración u otros datos de interés. En la actualidad la mayoría de problemas de control se resuelven mediante computadores por lo tanto es necesario la representación de los sistemas de excitación por algún modelo matemático, reconociendo este hecho la IEEE formó un grupo de trabajo que desde 1960 realizó un estudio de estandarización de los tipos de sistemas de excitación y sus modelos correspondientes, el informe final del grupo estuvo listo en 1967; en dicho informe se estandarizaron los sistemas de excitación en cuatro diferentes tipos y se identificaron los sistemas disponibles del mercado de acuerdo a ellos. Estos modelos básicos poseían diversos grados de complejidad dependiendo de los datos disponibles o la importancia de un excitador particular en un problema relacionado con grandes sistemas de potencia. Posteriormente con el surgimiento de nuevas tecnologías y mejoras a los cuatro tipos básicos originales se vio la necesidad de expandir la clasificación de los diversos tipos de sistemas de excitación en la actualidad la IEEE utiliza la clasificación que se verá más adelante. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 43 Tipos de sistemas de excitación Los modelos de los sistemas de excitación que usan se basan en un sistema por unidad donde la base de voltaje es el voltaje del generador, y la base de potencia es la potencia del generador. Figura N° 37 – Tipo A: Sistema de excitación rotativo con acción dc contínua Figura N° 38 – Tipo B: Westinghouse sin escobillas antes de 1967 IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 44 Figura N° 39 – Westinghouse sin escobillas desde 1966 Figura N° 40 – Tipo D: Sistema SCPT IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 45 Figura N° 41 – Tipo E: Sistema de excitación reostático de acción no continua Figura N° 42 – Tipo F: Sistema de excitación de generador Westinghouse con rotor sin escobillas de acción continua Figura N° 43 – Tipo G: Sistema de excitación SCR General Electric IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 46 Figura N° 44 – Tipo K: Alterrex de General Electric Los significados de las diferentes variables y constantes involucradas además de los valores típicos de las mismas para diferentes generadores en plantas hidroeléctricas se encuentran en el apéndice A del texto. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 47 3.7 Acciones de mantenimiento en reguladores Reguladores de velocidad La función del gobernador o regulador de velocidad es mantener la velocidad constante de la turbina a pesar de las fluctuaciones de potencia. Mediante dispositivos mecánicos estor reguladores abren o cierran una válvula o distribuidor de la turbina variando así el caudal de ingreso. Los reguladores mecánicos deben ser inspeccionados diariamente para verificar el estado y tensión de las fajas, y que los mecanismos de mando como las articulaciones, levas, bielas, etc, se mantengan adecuadamente lubricadas. Los reguladores mecánicos tienen varios puntos de ajuste en su interior que no deben ser modificados sin contar con la literatura del fabricante o bajo la participación de una persona competente en el tema. Cualquier modificación en su ajuste podría ocasionar un funcionamiento inestable o en diferencias en la velocidad de marcha de la turbina. La mayoría de estos mecanismos funcionan con presión de aceite, por lo que es necesario inspeccionar el nivel del mismo y el estado para programar su cambio, teniendo la precaución de usar el tipo de aceite recomendado por el fabricante del equipo. Los reguladores de velocidad por carga son conectados eléctricamente al generador y mantienen una carga constante (por lo tanto la potencia en la turbina también se mantendrá constante), derivando la parte de la potencia del generador que no es consumida por la carga principal hacia una carga de lastra constituida por un banco de resistencias. Este tipo de regulador requiere de muy poco mantenimiento. Habrá que verificar la adecuada circulación de agua por el banco de resistencias y también que la ventilación al interior del regulador no sea bloqueada. Dependiendo del ambiente, cada cierto tiempo habrá que limpiar de polvo el interior del regulador y revisar el ajuste de los pernos y tuercas de los puntos de conexión. Reguladores de tensión En general el mantenimiento de los reguladores de voltaje es sencillo, si se trata del tipo compuesto se puede secar la humedad del mismo, o en un caso extremo el rebobinado. Si es del tipo electrónico se puede reemplazar en caso de daño. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 48 3.8 Consideraciones finales sobre los sistemas de control en la central La central hidroeléctrica es un sistema muy complejo y existen diversidad de mecanismos y dispositivos en ella, para la operación correcta de la misma y su fácil administración se acostumbra localizar todos los controles en una sala de mando (llamada también sala de tableros) donde se ubican los tableros de control y mando, de protección y de señalización entre otros, además es en esta zona donde se realiza la interfase entre el sistema de la planta hidroeléctrica y el operador. Un esquema simplificado que muestra un resumen de los sistemas de control que se tienen en una central hidroeléctrica es el que se muestra a continuación. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 49 Figura N° 45 – Esquema general de los sistemas de control en una planta hidroeléctrica IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 50 También a continuación se muestra un organigrama de los diferentes tableros de control en la planta. Figura N° 46 – Organigrama de los tableros de control en la planta hidroeléctrica IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 51 4.0 Conclusiones Una planta hidroeléctrica es un sistema complejo integrado tanto por dispositivos mecánicos, hidráulicos y eléctricos cuya finalidad principal es la producción de energía eléctrica para su uso en la industria, comercio y vivienda, entre otras aplicaciones. Un buen sistema de potencia eléctrico es aquel que posee tanto la frecuencia como el voltaje estables en sus valores nominales para cualquier condición de carga en cualquier punto de operación del mismo. Esto debido a que las irregularidades en la frecuencia y el voltaje provocan daños en equipos y dispositivos eléctricos, que a su vez por su mal funcionamiento pueden causar algún accidente donde se vea afectada la integridad física de las personas. Por lo tanto desde la generación se debe mantener el valor de frecuencia y voltaje en sus valores nominales para cualquier condición de carga que se presente en el sistema de potencia eléctrico. Esto se logra mediante el uso de sistemas de control automático de la frecuencia y el voltaje los cuales poseen características de operación y construcción distintas dependiendo de la tecnología usada, el tipo particular de aplicación y el fabricante, pero su fundamento teórico es el mismo y se puede realizar su análisis a partir de la teoría general de controladores. En este texto se analizaron los elementos de la planta, se mencionaron las variables a controlar y los sistemas de control, se mencionaron sus características principales, su principio de funcionamiento así como las diferentes tecnologías empleadas. Los sistemas de control evolucionan día con día volviéndose más precisos y veloces proporcionando mayores características de estabilidad y robustez al sistema de potencia y mejor desempeño del mismo, cada día se tiende a la automatización digital de los procesos, y sobre todo el uso de interfases de computadora para que un usuario realice las correcciones y maniobra del sistema de la planta. Probablemente la planta de generación hidroeléctrica del futuro sea totalmente automatizada y su control y maniobra sea asignado a un computador central, por lo que sus características de desempeño serán muchísimo mejores que en la actualidad y la robustez del sistema de potencia sea tal que cualquier contingencia que se presente sea fácilmente resuelta, brindando aún mayor confianza a los usuarios y mayor seguridad para las personas en general. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 52 5.0 Bibliografía 1. 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Wilson, E. “Power system stability”, IEEE, 1995 IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 53 6.0 Apéndices Apéndice A: Definiciones de las variables y constantes involucradas en los diagramas de bloques del regulador de velocidad (gobernador) y del sistema de excitación; además de los valores típicos para las diferentes constantes involucradas en función del tipo de generador. Apéndice B: Fichas técnicas de los dispositivos de control y maniobra para diferentes fabricantes. IE-431 Aplicación de los sistemas de control en una planta generadora hidroeléctrica Grupo 002 2º Semestre de 2003 54
Report "Aplicacione Del Control en Una Hidroelectrica"