Variación de frecuencia en un circuito electeico

VARIACIONES DE FRECUENCIA.
Según la UNE-EN 50160 se define la frecuencia de la tensión como la tasa de repetición de la
componente fundamental de la tensión de alimentación, medida durante un intervalo de tiempo
determinado. Cualquier cambio sobre el valor nominal de ésta (50 Hz), sobrepasando ciertos límites
constituye una variación de frecuencia.
La frecuencia en un sistema trifásico de corriente alterna, está directamente relacionada con el número de
revoluciones por minuto del campo giratorio de los alternadores que generan la electricidad, lo cual quiere
decir que todos los alternadores conectados a una misma red están girando en sincronismo a la misma
velocidad angular eléctrica, de acuerdo con la fórmula:
n
p ⋅
60
n
p
f
⋅
=
Siendo:
f = frecuencia
p = número de pares de polos del alternador
n = velocidad de giro en revoluciones por minuto.

LIMITES
Según la UNE-EN 50160, la frecuencia nominal de la tensión de alimentación, en España y otros
muchos países, debe ser de 50 Hz. En condiciones normales de operación, el valor de la frecuencia
fundamental medida en períodos de 10s debe situarse en los intervalos siguientes:
Redes acopladas por conexión síncrona a un sistema interconectado:
50 Hz +1 % (es decir de 49,5 a 50,5 Hz) durante el 95 % de una semana
50 Hz + 4 % / - 6 % ( de 47 a 52 Hz) durante el 100 % de una semana
Para redes sin conexión síncrona a un sistema interconectado (redes que existen en sistemas
aislados de la red general):
50 Hz ± 2% ( de 49 a 51 Hz) durante el 95% de una semana
50Hz ± 15% ( de 42,5 a 57,5 Hz) durante el 100% de una semana
50Hz ± 15% ( de 42,5 a 57,5 Hz) durante el 100% de una semana
Figura 3.1.- Variación de frecuencia en un sistema interconectado
50
49,5
49
50,5
51
Hz
t

CAUSAS
Existen variaciones de frecuencia en un sistema eléctrico cuando se produce una
alteración del equilibrio entre carga y generación.
Distribución
Transporte
Transporte

CAUSAS

CAUSAS
Se pueden dar condiciones excepcionales en las que se produzca un desequilibrio
importante entre la generación y la carga, dando lugar a una variación de la
frecuencia.
La carga es superior a la
generación:
En este caso, la frecuencia
disminuye. Su velocidad de
caída dependerá de la reserva
de energía rodante y de la
constante de inercia del
conjunto de los generadores
conectados a la red.

CAUSAS
Se pueden dar condiciones excepcionales en las que se produzca un desequilibrio
importante entre la generación y la carga, dando lugar a una variación de la
frecuencia.
La carga es inferior a la
generación:
En este caso, la frecuencia
aumenta. El equilibrio se
restablece actuando sobre los
sistemas de regulación de los
alternadores para disminuir su
capacidad de generación. El
equilibrio se alcanza de forma
mucho más sencilla que en el
caso anterior.

DEPENDENCIA
La relación entre la variación de carga y la variación de
frecuencia depende del número de generadores conectados a
la red. Es más desfavorable en sistemas aislados, que en
grandes redes interconectadas.
Así, en el sistema interconectado europeo en el que se
Así, en el sistema interconectado europeo en el que se
encuentra integrada la red española, se obtienen valores del
orden 12.000 MW/Hz, es decir, hace falta un cambio de carga
de 1.200 MW para que se produzca una variación de
frecuencia de 0,1 Hz. En un sistema aislado de 120 MVA, este
valor sería del orden de 60 MW/Hz.

MEDIDA
Según la IEC 61000-4-30 (Clase A), la medida de frecuencia se obtiene
cada 10s, como relación entre los ciclos enteros contados en un intervalo
de 10s, y la duración total. Los ciclos no completos se descartan. Hay que
minimizar los efectos de múltiples pasos por cero de la señal, mediante
los filtros adecuados.
La exactitud en la medida para equipos de clase A debe ser ±0,01 Hz.
Frecuencia
49,94
49,96
49,98
50
50,02
50,04
50,06
23/05/05
0:00
24/05/05
0:00
25/05/05
0:00
26/05/05
0:00
27/05/05
0:00
28/05/05
0:00
29/05/05
0:00
30/05/05
0:00
31/05/05
0:00
tiempo
f[Hz]
Frecuencia
Figura 3.2. Representación gráfica de la medida de frecuencia en una
industria de elaboración de forjados para la construcción

EFECTOS
Los principales efectos de las variaciones de frecuencia son:
Variación de velocidad de las máquinas rotativas.
Los motores transmiten más o menos potencia mecánica.
Los relojes eléctricos sincronizados con la red, atrasan o adelantan.
Los filtros de armónicos sufren un efecto “desintonizador”.
Los equipos electrónicos que utilizan la frecuencia como
Los equipos electrónicos que utilizan la frecuencia como
referencia de tiempo se ven alterados.
Las turbinas de las centrales eléctricas se encuentran sometidas
a fuertes vibraciones, (resonancias mecánicas), que suponen un
severo esfuerzo de fatiga en los alabes.
Posibles problemas en el funcionamiento de instalaciones de
autogeneración.

MÉTODOS DE PREVENCIÓN Y CORRECCIÓN
La necesidad de equilibrar la potencia entregada a la turbina, por el
agua en turbinas hidráulicas y por el vapor en las térmicas, con la
demanda eléctrica incluyendo las pérdidas hace indispensable regular
permanentemente la admisión de la turbina.
Todo cambio de carga afecta inicialmente a la energía cinética,
Todo cambio de carga afecta inicialmente a la energía cinética,
provocando que la velocidad de las máquinas y con ello la frecuencia
en la red disminuya en el caso que la carga crezca y viceversa.
Para un correcto funcionamiento de las máquinas eléctricas, es
necesario que funcionen lo más cercano a la frecuencia nominal. De
no ser así, podría ocurrir que las centrales dejaran de operar en
márgenes aceptables, por la menor velocidad de las bombas,
ventiladores y otros elementos eléctricos, reduciéndose la potencia
que entregan lo que provocaría que fuera necesario desconectar
consumos con el fin de recuperar los niveles de frecuencia aceptables.

. Regulador de velocidad de la turbina.
Hasta hace poco tiempo, las variaciones de
velocidad angular de la turbina eran
controladas la mayoría de las veces
utilizando como dispositivo sensible un
regulador centrífugo de Watt. En este tipo
de regulador, dos pesos se mueven
de regulador, dos pesos se mueven
radialmente alejándose del eje cuando su
velocidad de rotación aumenta y así actúan
moviendo un manguito sobre un vástago
central.
El movimiento de este manguito se transmite,
mediante un mecanismo de palanca, al
pistón de una válvula piloto y mediante dicho
mecanismo se hace funcionar el servomotor.

Turbina
Motor
acelerador
Aceite a
presión
Muelle
Servo -
motor
Posición inicial
Regulador (accionado
por el eje de la turbina)
Sistema
Generador
Fluido agente de la caldera
de vapor o del depósito de
agua superior
Válvula de
entrada principal
Válvula piloto
presión
constante
motor
hidráulico
Figura 3.3. Sistema de control empleando el regulador de Watt como dispositivo sensible y un
servo sistema hidráulico para hacer funcionar la válvula de alimentación principal. Los
mecanismos del motor acelerador determinan el ajuste inicial de la posición del regulador.

El regulador de velocidad de la turbina está compuesto
por los siguientes dispositivos:
Un sistema de medida que detecta las
variaciones de velocidad (tacómetro).
Un servomecanismo capaz de transformar la
señal del sistema de medida en la acción de
variar la admisión de la turbina.
Órganos de regulación: válvulas, alabes,
deflectores son los encargados de realizar la
regulación propiamente dicha
Un dispositivo de amortiguación que reduzca
las oscilaciones del conjunto.

. Despacho de maniobras antiguo.
Hasta hace pocos años, todo el
control de frecuencia y tensión
de una central de producción de
energía eléctrica se supervisaba
energía eléctrica se supervisaba
desde el despacho de
maniobras que se encontraba
situado en el propio edifico de la
central y que disponía, como se
puede ver en la figura, de un
gran número de elementos y
medidores analógicos.

. Despacho de maniobras moderno.
En la actualidad, gracias a la
evolución experimentada por los
semiconductores de potencia y
los computadores, PLCs, etc, la
gran mayoría de las centrales de
producción de energía eléctrica
producción de energía eléctrica
se encuentran teleoperadas
(controladas a distancia), así en
la mayoría de los casos ya no
disponen de despacho de
maniobras propio y desde los
despachos de maniobras
modernos, ver figura, se pueden
controlar un buen número de
centrales.

. Armario con las tarjetas de control.
Las excitatrices que suministraban la
corriente continua necesaria para
realizar la excitación del devanado
inductor del alternador, fueron
sustituidas en gran parte por
convertidores con semiconductores
convertidores con semiconductores
de potencia del tipo de: tiristores,
IGBTs, IGCTs, etc, los cuales
permiten poder realizar un control de
la excitación más preciso.
Todas las señales de control se
canalizan a las correspondientes
tarjetas situadas en armarios
apropiados (ver figura).

VARIACIONES DE FRECUENCIA
Métodos de prevención y corrección en redes de distribución.
Así pues, existen distintos mecanismos de regulación unos
manuales y otros automáticos y estos mecanismos pueden estar
limitados a un determinado generador, es decir, a la central
eléctrica o instalados para regular los sistemas interconectados,
obviamente a mayor nivel de complejidad de las redes más
complejos y sofisticados serán estos mecanismos.
complejos y sofisticados serán estos mecanismos.
Como método de prevención ante variaciones transitorias de
frecuencia que pudieran afectar gravemente a las cargas
conectadas a una red de distribución eléctrica, se recomienda
disponer de un sistema de deslastre por frecuencia, es decir, que
parte de la carga o de la generación se desconecte bien de forma
automática o manual tan pronto como sea posible, evitando
apagones prolongados.

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