Regulacion de velocidad de la turbina hidrulica

9.

SISTEMAS DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD Y DE
CONTROL DE TURBINAS
Fuentes de Energía Primaria.
• Energía cinética del agua
• Energía térmica derivada
de combustibles fósiles o
de la fisión nuclear.

Generador
sincrónico

Turbina

Energía
Mecánica

Energía
Eléctrica

El conjunto turbina - sistema de regulación de velocidad provee un medio
para controlar la frecuencia y lapotencia.

Figura 9.1: Diagrama funcional de un sistema de generación de potencia
y sus sistemas de control.
Se analiza el comportamiento de unidades térmicas, hidráulicas, turbogas
y de ciclo combinado en la regulación de velocidad primaria de
frecuencia.

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Ing. D.G.Colomé RV-1Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur
IEE-UNSJ Argentina

9.1. Turbinas hidráulicas y sus sistemas de regulación de velocidad
El desempeño de una turbina hidráulica está influenciado por las
características de la columna de agua que alimenta la turbina, incluyendo
el efecto de:
• La inercia del agua
• La compresión del agua
• La elasticidad de las paredes de latubería de presión.
La inercia del agua provoca retardo en los cambios en el flujo de agua
ante cambios en la apertura de los distribuidores.
El efecto de la elasticidad es provocar ondas viajeras de presión y flujo en
la tubería fenómeno conocido como golpe de ariete.
9.1.1. Función de transferencia de la turbina hidráulica

Figura 9.2: Esquema de una central hidráulica [II.1].
La representaciónde la turbina hidráulica y de la columna de agua en los
estudios de estabilidad se realiza en base a:
• La resistencia hidráulica es despreciable.
• La tubería de presión es inelástica y agua incompresible.
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Ing. D.G.Colomé RV-2
Referencia: “Power System Stability and Control” PrabhaKundur
IEE-UNSJ Argentina

• La velocidad del agua varía directamente con la apertura del
distribuidor y con la raíz cuadrada del salto neto, ecuación (9-1).
• La potencia de salida de la turbina es proporcional al producto del
salto y del flujo del volumen de agua, ecuación (9-3).
Las características de la turbina y de la columna de agua se determinan
con las siguientes ecuaciones:
a)velocidad del agua en el tubo de presión

U = K uG

H

(9 − 1)

donde
U:
G:
H:
Ku:

velocidad del agua
posición del distribuidor
salto
constante de proporcionalidad

para pequeños desplazamientos

∆U =

∂U
∂U
∆H +
∆G
∂H
∂G

calculando las derivadas parciales y dividiendo por Uo, valor inicial de
estado estacionario

∆U ∆H ∆G
=
+
U 0 2 H 0 G0

o

∆U =

1∆H + ∆G
2

(9 − 2)

b) Potencia mecánica de la turbina

Pm = K p HU

(9 − 3)

linealizando para pequeñas variaciones y normalizando con Pm0
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Referencia: “Power System Stability and Control” Prabha Kundur
IEE-UNSJ Argentina

∆Pm ∆H ∆U
=
+
Pm 0
H0 U0
o∆ Pm = ∆ H + ∆ U

(9 − 4)

substituyendo ∆U desde la ec.(9.2)

∆Pm = 1.5∆H + ∆G

(9 − 5A )

o substituyendo ∆H desde la ec.(9.2)

∆Pm = 3∆U − 2∆G

( 9 − 5B )

c) La aceleración de la columna de agua ante cambios en el salto (2da ley
del movimiento de Newton)

(ρLA) d∆U
dt

donde
L:
A:
ρ:
ag:
ρLA:
ρag∆H:

= − A (ρa g )∆H

( 9 − 6)

largo del conducto
área dela tubería de presión
densidad
aceleración de la gravedad
masa de agua en el conducto
cambio incremental en la presión sobre el distribuidor

Normalizando

∆H
LU 0 d  ∆U 

=−
a g H 0 dt  U 0 
H0


o

Tw

d∆U
= − ∆H
dt

(9 − 7)

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