Transferencia de cargas en sistemas generadores de reserva

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En las primeras tres cuartas partes del siglo XX, los generadores de reserva se usaban principalmente para iluminación de emergencia. Pero a medida que la tecnología y la capacidad del generador mejoraron, los usos de los generadores de reserva se volvieron más variados. En las décadas de 1970 y 1980, la industria experimentó un crecimiento significativo a medida que las aplicaciones se diversificaron desde la iluminación de emergencia para incluir operaciones más complejas, que incluyen: plantas de tratamiento de agua, estaciones de bombeo , antenas de telecomunicaciones, etc.

Con el tiempo, las instalaciones que alimentan los generadores de respaldo se han vuelto más complejas.

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A medida que las cargas comenzaron a variar, el alcance de los generadores también tuvo que ser mayor. En el siglo XXI, los generadores han experimentado un aumento notable en el alcance de las cargas que necesitan ser servidas. Las instalaciones servidas por energía de reserva son cada vez más complejas. Mientras tanto, las cargas capacitivas y los transformadores son cada vez más frecuentes en medio del crecimiento de la industria de servicios de datos. Más que nunca, existe la necesidad de operar los 365 días del año, las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto significa que los generadores de energía de respaldo deben desempeñar un papel de liderazgo.

Afortunadamente, los factores relacionados con las cargas del factor de potencia principal y los transformadores aguas abajo son bien conocidos. Esto le permite al ingeniero analizar la aplicación y coordinar correctamente las especificaciones del equipo generador de energía de respaldo que se instalará.

Un reto en el camino: La carga capacitiva dominante.

Anteriormente, la carga habitual que tenía un generador de emergencia era resistiva (por ejemplo: iluminación de filamento) e inductiva (por ejemplo: motores). Pero a medida que los generadores han evolucionado, la variación de las cargas capacitivas disponibles en el mercado ha aumentado sustancialmente (por ejemplo: sistemas de alimentación ininterrumpida, iluminación LED). Podemos decir que las cargas capacitivas presentan un nuevo desafío.

Con una típica carga resistiva única o inductiva única, el generador de energía de reserva generalmente responde disminuyendo el voltaje y la velocidad del motor. Si esta caída de frecuencia del motor es lo suficientemente grande, el regulador de voltaje moderno tiene la capacidad de compensar bajando el voltaje (para reducir la carga) para permitir que el motor se recupere. Esta capacidad se denomina función de aceptación de carga o V/Hz.

Sin embargo, si la carga dominante es capacitiva, el escenario cambia. Esto significa que la respuesta del generador también debe cambiar. La respuesta puede ser un aumento de tensión y una caída de la velocidad de los motores, ya que se pasa de una tasa de subexcitación a una sobreexcitación. En este caso, el regulador de voltaje ya está luchando contra la sobremarcha del alternador y puede haber un retraso en la activación del comportamiento de aceptación de carga para permitir que el motor se ponga al día.

En la imagen a continuación, puede ver el gráfico de comportamiento de voltaje y frecuencia cuando se introducen cargas de factor de potencia retrasadas.

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En la imagen a continuación, puede ver el gráfico de comportamiento de voltaje y frecuencia cuando se introducen cargas de factor de potencia en adelanto.

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Por lo tanto, en consideración del comportamiento del régimen transitorio del factor de potencia, el diseño y producción del generador moderno ha incluido una reevaluación de los requisitos tradicionalmente utilizados en torno a la carga. El punto central de esta adaptación es tener en cuenta la curva de capacidad reactiva del alternador. Esto evita periodos de inestabilidad y/o posibles daños al alternador.

¿Qué sucede cuando la carga se mezcla?

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En estos días, la mayoría de las cargas típicas son mixtas. Las cargas resistivas, inductivas o capacitivas pueden predominar en un momento dado. Es importante saber que el efecto del tipo de carga no es solo sobre el régimen transitorio sino que también tiene efectos sobre el régimen estacionario. Entonces, si el elemento capacitivo no está balanceado por diseño en las fases de un sistema de generación de energía, cualquier tensión de desequilibrio que presentaría el generador en el estado estable se vería exacerbada.

Dependiendo de la naturaleza de la carga, el generador de respaldo debe:

  1. Con una carga inductiva aplicada, el regulador de voltaje necesita aumentar la excitación para llevar el voltaje hasta el valor operativo nominal.
  2. Con una carga capacitiva aplicada, el regulador de voltaje necesita reducir la excitación para bajar el voltaje al valor operativo nominal.

El transformador como carga.

La creciente complejidad de las instalaciones ha dado lugar a configuraciones más grandes y complejas con transformadores presentes en las instalaciones alimentadas por generadores de reserva. Los valores nominales de kVA de estos transformadores pueden ser tan grandes como, si no mayores, que los valores nominales del propio generador de reserva, aunque las cargas de reserva aguas abajo del transformador(es) estén dentro de las capacidades del generador de reserva. En estos casos, la variable principal se convierte en el arranque del transformador en la ecuación de carga servida por el generador.

¿Puede un generador alimentar los transformadores?

Esta pregunta no tiene una respuesta simple y exige una respuesta en tres etapas, de las cuales solo una es manejada por el fabricante del generador:

Nivel 1: Diseño y fabricación de los generadores. (Son variables siempre manejadas por el fabricante de los generadores)
Etapa 2: Las características del transformador o transformadores presentes en la carga. (Siempre desconocida por el fabricante del generador).
Etapa 3:La instalación. (También desconocida para el fabricante).

Afortunadamente, los factores relacionados con las cargas del factor de potencia principal y los transformadores aguas abajo son bien conocidos para que el ingeniero especificador pueda analizar la aplicación y coordinar correctamente las especificaciones del equipo de generación de energía de respaldo que se instalará.

Estrategias de mitigación para ingenieros responsables de las especificaciones del generador. Arranque secuencial de cargas.

Si hay varios transformadores en la carga alimentada por un generador, la característica de arranque simultáneo es problemática para la operación adecuada del sistema.

La siguiente imagen ilustra un ejemplo de tres transformadores con una clasificación acumulada de 1,9 KVA por unidad generadora. Muestra la corriente de la línea del generador durante la activación simultánea.

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Un arranque secuencial puede aliviar o mitigar algunas de las tensiones observadas en el equipo del generador dentro de la instalación (consulte el cuadro a continuación). La figura muestra la corriente de la línea del generador con un retraso de un segundo entre energizaciones.

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Una opción para el arranque simultáneo de generadores y energización de transformadores.

En una instalación donde hay transformadores presentes, cuando los transformadores están energizados cuando el generador arranca, se mitigarán los efectos de la corriente transitoria de irrupción en el sistema. Los reguladores de voltaje modernos están equipados con una función de aceptación de carga para aumentar el voltaje en función de la frecuencia. Esta pendiente de voltaje versus frecuencia se usa típicamente para ayudar con la recuperación de la velocidad del motor en la aplicación de carga. Sin embargo, es beneficioso en un escenario de arranque simultáneo, ya que permite un aumento predecible del voltaje con la velocidad del motor. Con esta rampa de tensión, la activación de los transformadores no provoca una corriente de irrupción excesiva.

En instalaciones donde hay generadores en paralelo, se puede permitir que los generadores en paralelo se cierren antes de que se energicen los transformadores, lo que puede reducir los efectos del evento transitorio en el sistema. Con esta estrategia, se debe entender que las características del sistema cambiarán de acuerdo a la cantidad de generadores que se alimentan en paralelo. Cualquier estudio de armónicos debe considerar todos los escenarios de suministro permitidos.

Hemos visto en los párrafos anteriores que las cargas capacitivas desafían las suposiciones generales de cómo se ve una carga desde el generador y pueden requerir especificaciones modificadas.

Las redes eléctricas cada vez más complejas involucran más voltajes en sus instalaciones, y el surgimiento del transformador como un componente que forma parte de la carga moderna requiere una cuidadosa consideración de cómo administrar no solo las cargas, sino también el equipo entre la fuente y las cargas.

Asegúrese de consultar a su Brags & Hayes representante para asistencia con diseños de aplicaciones de mediana a alta complejidad.

Este artículo se basa en el trabajo desarrollado y publicado porAdam Larsones un ingeniero de personal sénior en Kohler Co. Adam es miembro de IEEE y es autor de artículos sobre diseño y optimización de máquinas eléctricas.

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