OPERACIÓN EN PARALELO DE ALTERNADORES

Los sistemas eléctricos de potencia se interconectan continuamente para dar una economía y confiabilidad de operación. La interconexión de sistemas de potencia de C.A. requiere de generadores sincrónicos operando en paralelo entre sí. Bajo condiciones normales de operación, todos los generadores y motores sincrónicos en un sistema interconectado operan en sincronismo. Las frecuencias de todas las máquinas sincrónicas son exactamente iguales excepto durante cambios momentáneos en carga o excitación. Si una o varias máquinas sincrónicas grandes se salen de sincronismo respecto al resto de sistema, resulta una perturbación severa y a menos que se tomen pasos preventivos inmediatamente, el sistema se vuelve inestable, una condición que puede tener como resultado un paro completo del sistema. Con el fin de que 2 alternadores funcionen bien en paralelo, sus máquinas motrices deben tener características velocidad-carga inclinada. La carga se expresa como potencia útil de los alternadores, ya que la diferencia entre la potencia útil de la máquina motriz y la del alternador son las pequeñas pérdidas de éste último en las que no se cuentan las de la excitación. Las curvas de velocidad-carga de las máquinas motrices se determinan por medio de sus reguladores si son de vapor, hidráulicas o de gas. Si el accionamiento se realiza con motores eléctricos, dichas características dependen de la que tengan estos motores. Cuando funcionan con carga dos alternadores conectados en paralelo, estos deben tener la misma frecuencia. Sea OC la frecuencia del sistema, OA es la carga del alternador 1 y OB es la carga del alternador 2 tal como se aprecia en la siguiente figura. Por lo tanto, la carga expresada en kilowatts que suministran los alternadores montados en paralelo, no puede transferirse de uno a otro de modo apreciable mediante variaciones de sus campo inductores.

Para hacer variar la carga en kilowatts de un alternador, debe variar la curva velocidad-carga de su máquina motriz. Si estos son accionados por motores térmicos o por turbinas de vapor, se consigue este efecto variando la tensión del resorte regulador, o por otro medio que tienda al mismo fin. Por ejemplo, se desea que el alternador 1 absorba igual carga que el 2. Se dispone el resorte regulador de 1 de modo que la característica se eleve como en la figura (c). Los 2 alternadores suministran entonces la misma potencia OA’ a la misma frecuencia OC’. En estas condiciones la frecuencia OC’ es mayor que la frecuencia inicial OC de (a). Si las características de velocidad-carga de las máquinas motrices fuesen planas, la marcha de los alternadores en paralelo sería inestable. Es decir, con perturbaciones o variaciones muy pequeñas en la frecuencia se producirían amplias fluctuaciones en la potencia suministrada por cada uno de los alternadores, lo que dará origen a señaladas dificultades en su funcionamiento. AJUSTES DE FASES EN LOS ALTERNADORES.

Esta operación consiste en identificar las fases de los alternadores polifásicos con objeto de obtener las fases correspondientes de dos o más máquinas cuando estas sean conectadas en paralelo. Por ejemplo, el alternador trifásico, que es el más común, suele tener las fases marcadas o designadas con A, B y C. Cuando se acopla un alternador con otro, o con las barras colectoras de una central en la cual están funcionando otros alternadores, cada fase tiene que conectarse con la fase correspondiente de las barras colectoras o del otro alternador: A con A, B con B y C con C. El ajuste de fases solo puede ser necesario al principio, cuando se instala una máquina, o después que se han hecho unos cambios en las conexiones de los devanados de la máquina. Una vez que el alternador se ha ajustado debidamente de fases y se han hecho las conexiones permanentes con las barras del cuadro de distribución, no es necesario volver a probar las fases a menos que se introduzcan cambios en el alternador o en la central. Si se desconecta un alternador, aunque sea provisionalmente, las fases deben marcarse con exactitud y en forma bien clara, de modo que puedan conectarse nuevamente de la misma manera cuando vuelva a unirse la máquina a las barras colectoras o a los conductores terminales del otro alternador. Si se ha rebobinado el inducido de un alternador o si se han cambiado las conexiones de alguna manera, debe ponerse siempre en fase la máquina antes de volverla a conectar a las barras o la línea.

La sincronización es una operación que tiene que realizarse cada vez que un alternador se pretenda ponerlo en paralelo con otras máquinas que están en marcha. Pueden emplearse varios métodos para el ajuste de fases de los alternadores. Dos de los más comunes son el método del banco de lámparas y el método del motor. Pueden obtenerse buenos resultados con cualquiera de los dos métodos y la elección de uno u otro dependerá, por lo general, de la conveniencia o de la adaptabilidad del equipo disponible.

MÉTODO DEL BANCO DE LÁMPARAS.

La siguiente figura muestra las conexiones e ilustra el principio del método del banco de lámparas para poner en fase los alternadores. En este esquema pueden verse dos alternadores uno inicialmente conectado y suministrando energía a las barras colectoras. Puede verse también un segundo alternador análogo al primero correctamente situado y listo para su ajuste de fases y acoplamiento a las barras colectoras. Las lámparas que se utilizaran para el ajuste de fases se encuentran conectadas alrededor del interruptor en aceite. Hay que conectar en serie en cada fase un número suficiente de lámparas para que resistan el doble del voltaje del alternador. Por consiguiente es fácil ver que si el voltaje de la máquina es superior a 440 voltios, se necesitaría un número considerable de lámparas para poder emplear este método. Por consiguiente, con las máquinas que producen altos valores de voltaje a menudo se usan transformadores, para reducir el voltaje aplicado a las lámparas. Pueden emplearse para este objeto pequeños transformadores de energía ordinarios o bien transformadores para instrumentos de medida. Para el ajuste de fases de un alternador nuevo por este método, es necesario llevarlo primero hasta su velocidad y su voltaje nominales. Las lámparas conectadas como se indica en la figura se encenderán y se apagarán entonces alternativamente, debido al hecho de que los voltajes de los alternadores están desfasados y en fases en diferentes momentos. Si los tres grupos de lámparas se encienden y se apagan al mismo tiempo, ello indica que están conectadas correctamente las fases del alternador con las fases correspondientes que están conectadas al lado opuesto del interruptor de aceite. Si las lámparas no se encienden y apagan al mismo tiempo, es necesario intercambiar dos conductores cualesquiera del generador cuyas fases se están ajustando. Aunque este intercambio puede hacerse en cualquier punto entre el alternador y el interruptor de aceite o entre este y las barras colectoras, suele ser preferible invertir los extremos de los conductores precisamente en las terminales del conductor de línea del alternador. No debemos invertir nunca los extremos de los conductores de ninguna de las otras máquinas para hacer que sus fases coincidan con las del nuevo generador, ya

que esto invertiría el sentido de rotación de todos los motores trifásicos conectados al sistema. Debe tenerse mucho cuidado de no conectar nunca un alternador, aunque sea pequeño, en paralelo con otro o con las barras colectoras, sin ajustar primero las fases, porque si se acopla un alternador en paralelo con otros con sus fases desajustadas, el resultado es prácticamente un corto circuito en las máquinas que están marchando, de la misma manera que si se conectaran en paralelo una dinamo de corriente continua, de polaridad opuesta, con otras. Es necesario poner atención a que el número y la resistencia de las lámparas sean suficientes para soportar el doble del voltaje del alternador, porque en determinados periodos durante las alternancias pueden estar sometidas al voltaje de la máquina que entrara en paralelo más el de las máquinas que están marchando.

MÉTODO DEL MOTOR

En la misma figura muestra las conexiones para poner en fase un alternador por medio de un motor trifásico. Para emplear convenientemente este método y evitar errores en las conexiones, suele ser preferible conectar los extremos de los conductores

del motor trifásico a las cuchillas de un interruptor de tres polos-doble tiro, en el mismo orden en que se presentan con relación a las fases. Los contactos exteriores o pinzas de un lado del interruptor se conectan a las barras colectoras o a los alternadores que están marchando, mientras que las pinzas del otro lado se conectan a la máquina en que hay que ajustar las fases. Con esta conexión puede funcionar el motor con corriente del alternador que se conectará en paralelo o del alternador en marcha. Una vez que se han hecho las conexiones adecuadas, el alternador en el que se ajustaran las fases se lleva a su velocidad y su voltaje nominales. Se cierra entonces el interruptor para accionar el motor con la corriente de este alternador y se observa la dirección en que gira el motor. Para evitar equivocaciones, es preferible marcar en este motor el sentido de rotación, ya sea el mismo de las agujas del reloj o el contrario, bien sobre la polea o sobre la armazón de la máquina, en el lado por el cual se le esta observando. Después se abre el interruptor y se deja que el motor se pare por completo. Entonces se cierra el interruptor en la dirección opuesta para conectar el motor con las barras colectoras o el alternador que está marchando y se vuelve a observar el sentido de rotación. Si el motor gira en el mismo sentido en ambos casos, los alternadores tienen sus fases análogas conectadas a las terminales del interruptor respectivo, de tal manera que los generadores funcionaran satisfactoriamente en paralelo después de que hallan sido sincronizados o puestos en fase. Si el motor gira en el sentido opuesto cuando el interruptor esta en la segunda posición, será necesario intercambiar o invertir dos conductores cualesquiera del alternador en que se están ajustando las fases. Después deberán probarse de nuevo las conexiones, poniendo en marcha el motor desde cada lado del interruptor y en ambas posiciones de la cuchilla deberá girar en el mismo sentido. Si el voltaje del alternador es demasiado elevado para el motor de que se disponga, pueden emplearse pequeños transformadores para reducir el voltaje y poder hacer este ajuste de las fases.

SINCRONIZACIÓN O PUESTA EN FASE DE LOS ALTERNADORES.

Como se mencionó antes, un alternador tiene que sincronizarse o ponerse en fase minuciosa y exactamente antes de acoplarlo en paralelo con otros que estén en marcha. La sincronización o puesta en fase es una de las operaciones más críticas que hay que realizar en una central eléctrica y debe estudiarse a fondo. Es esta una operación que deberá comprender y conocer minuciosamente el electricista antes de solicitar cualquier puesto como encargado de una central eléctrica. Sincronizar significa hacer marchar los alternadores al paso, o sea, de modo que sus alternancias positivas y negativas se produzcan exactamente al mismo tiempo, lo que es lo mismo, que estén en fase. En las máquinas grandes esta operación tiene que hacerse con exactitud que quede en pocos grados, esto es, que las mismas alternancias

de cada máquina tienen que pasar por sus valores máximos y ceros en el mismo instante en cada fase. Si se acoplaran los alternadores cuando están desfasados más de unos pocos grados, el resultado sería la producción de ondas de corriente muy intensas entre las dos maquinas debido a la diferencia de sus voltajes en un instante cualquiera. Si se conectaran dos maquinas cuando estuvieran desfasadas 180º, lo que significa que un alternador estuviera produciendo voltaje positivo mientras el otro estaba produciendo voltaje negativo, el resultado sería un corto circuito de voltaje doble, como el que se obtendría si se conectaran juntas dos dinamos de polaridad opuesta. Cuando mas cerca estén las dos máquinas de estar en fase, tanto menor será la diferencia entre sus voltajes instantáneos en cualquier punto del periodo. Ajustando minuciosamente la velocidad del alternador que se quiere acoplar, podemos hacer que las dos maquinas estén exactamente en fase una con otra por medio de un dispositivo sincronizador. Un operador hábil puede cerrar entonces el interruptor de aceite exactamente en el instante adecuado y acoplar las máquinas en paralelo sin que se produzca prácticamente ninguna onda apreciable de corriente entre la máquina acoplada y los alternadores en marcha. Si se acoplan juntos grandes alternadores cuando están muy desfasados es probable que se estropeen los devanados de las máquinas y tal vez se produzcan averías en los generadores y demás equipo de la central. Los dos métodos más comunes para averiguar cuando están en sincronismo o en fase los alternadores consisten en el empleo de un sincronocópio o un banco de lámparas. A veces se emplea con este objeto un voltímetro. El sincronoscopio es mucho mas seguro y cómodo, ya que muestra si el alternador entrante esta marchando con lentitud o rápidamente e indica en que sentido debe ajustarse el regulador de la máquina motriz para poner el alternador en la misma frecuencia que los alternadores que están marchando. La aguja del sincronoscopio indica también con más precisión cuando están los alternadores exactamente en fase unos con otros.

PUESTA EN FASE CON LÁMPARAS.

El método del banco de lámparas se emplea mucho para la puesta en fase de las centrales pequeñas. La figura anterior muestra las conexiones cuando se emplean lámparas para sincronizar o poner en fase dos alternadores. Se observará que esas conexiones son prácticamente las mismas que cuando se empleen lámparas para el ajuste de fases de un alternador.

El alternador entrante, se pone en marcha y se lleva hasta su velocidad y su voltaje normales. Luego las lámparas se encenderán y se apagarán alternativamente, como cuando se hace el ajuste de fases de un alternador, con la salvedad de que en este caso se supone que los alternadores se han montado con fases ajustadas y los tres grupos de lámparas deben encenderse y apagarse al mismo tiempo. Cuando los alternadores están desfasados 180º, o sea, que una máquina es positiva y otra negativa, sus voltajes se sumarán a través de las lámparas y harán que las lámparas en serie en cada fase brillen mucho. Cuando los generadores están exactamente en fase, esto es, cuando la fase A del alternador en funcionamiento alcanza su voltaje máximo al mismo tiempo que la fase A del alternador entrante, esos voltajes se oponen entonces el uno al otro en las barras colectoras y no pasará ninguna corriente por las lámparas. Si la frecuencia de la máquina entrante es solo ligeramente diferente de la máquina en marcha, las lámparas se encenderán y se apagarán muy lentamente; pero si la frecuencia de la máquina entrante es muy diferente de la máquina en marcha, las lámparas se encenderán y se apagarán con gran rapidez. Por consiguiente, ajustando el regulador de la máquina motriz que impulsa el alternador entrante y observando las lámparas de sincronización, podemos interpretar que si nos acercamos a la frecuencia del generador en marcha o si nos separamos mas de ella. Cuando se ha ajustado correctamente la velocidad del alternador entrante y las frecuencias son casi exactamente las mismas, las lámparas deben encenderse y apagarse muy lentamente, permaneciendo apagadas en realidad durante un segundo o dos, y necesitando varios segundos cada vez para pasar de encendidas a apagadas. Durante la mitad de este periodo de oscurecimiento de las lámparas, debe cerrarse el interruptor que conecta el generador entrante a las barras colectoras. Observando la rapidez con que se encienden y se apagan las lámparas durante varios de esos periodos, puede fijarse con bastante aproximación de la duración del oscurecimiento, de modo que pueda cerrarse el interruptor hacia la mitad de este periodo. Esto exige un criterio y habilidad que solo se obtienen con la práctica. Uno de los inconvenientes de usar lámparas para sincronizar es el hecho de que una lámpara incandescente necesita una proporción considerable de su voltaje nominal para hacer que el filamento brille lo suficiente para que sea perceptible. Por consiguiente, puede existir una pequeña diferencia en el voltaje de los alternadores, cuando las lámparas estén apagadas. Esta es la razón de que porqué se cierra el interruptor hacia la mitad del periodo de oscuridad, en que la diferencia de voltaje entre las dos máquinas debiera ser nula. Los alternadores no deben ponerse nunca en paralelo mientras las lámparas estén completamente encendidas, o bien, si se emplea un sincronoscopio, no deben ponerse en paralelo mientras el instrumento indique una diferencia de fase entre las dos máquinas. Si la diferencia de fase es pequeña cuando las máquinas se ponen en

paralelo, es posible que se pongan al paso; y si bien quizás no se produzca ninguna avería grave la primera vez que se haga esto, si se hacen varias veces, las sacudidas a las que se someten sus devanados acabarán estropeando tarde o temprano su aislamiento o la sujeción de las bobinas. Las ondas de corriente muy intensas que pasan por los devanados del alternador cuando se ponen en paralelo máquinas ligeramente desfasadas, crean entonces fuerzas magnéticas que tienden a deformar los conductores en el extremo de las bobinas y aplican también presiones muy fuertes contra el aislamiento de las ranuras. Esto produce también golpes mecánicos muy severos en toda la máquina. SINCRONIZACIÓN CON SINCRONOSCOPIO. El método de banco de lámparas se encontrará probablemente en centrales pequeñas y puede resultar muy a menudo muy útil para sincronizar o poner en fase alternadores pequeños cuando no se disponen de un sincronoscopio. Sin embargo este último es el método mas comúnmente usado en las centrales modernas de importancia y debe emplearse este instrumento siempre que sea posible por su extremada exactitud. Otra de las ventajas del sincronoscopio sobre el banco de lámparas es que la aguja indica cuando el alternador entrante esta marchando demasiado rápido o con excesiva lentitud. Cuando se emplea el sincronoscopio, se ajusta el regulador de la máquina motriz de acuerdo con la indicación de la aguja del sincronoscopio, o sea, según que este girando en el sentido que indica que el alternador entrante está marchando demasiado rápido o en la dirección opuesta, que indica que esta marchando con demasiada lentitud. Una vez que se a ajustado la velocidad del alternador entrante hasta un punto en el que el sincronoscopio este girando muy lentamente el la dirección rápido (fase), puede cerrarse el interruptor de cuchillas o de aceite que conecta la máquina entrante con las barras colectoras precisamente cuando la aguja llega a la señal o marco del centro de la escala. Acoplando los alternadores cuando la máquina entrante este marchando un poco mas rápidamente que las máquinas que están ya en marcha, el generador entrante tomará su parte de la carga con mas facilidad y suavidad. Cuando se ponen en paralelos alternadores por medio de interruptores de aceite controlado a distancia, es necesario a menudo dejar transcurrir una fracción de segundo para efectuar el cierre del interruptor de aceite. Esto se hace cerrando el interruptor de control a distancia justamente antes de que la aguja del sincronoscopio llegue a la señal o marca de la escala, de modo que el interruptor de aceite se cierre y ponga en paralelo los alternadores precisamente en el instante en que la aguja esta sobre la señal y las máquinas están en sincronismo exacto.