RESUMEN
El arranque de motores de alta capacidad es un proceso que genera transitorios en los sistemas eléctricos de potencia. Esto es debido a que los motores, en el momento de ser arrancados, consumen varias veces su corriente nominal. Los transitorios están asociados a las altas corrientes con componentes reactivas que provocan caídas bruscas en los voltajes del sistema. En ITABO I existía una situación crítica durante los procesos de arranques de las bombas de agua de alimentación de la caldera. Este artículo trata acerca de cómo se manejó el problema de los arranques de estos motores, de modo que se redujeran y controlaran las perturbaciones eléctricas, se aumentara la disponibilidad de estas bombas y se mejorara la confiabilidad operacional de la planta.
INTRODUCCION
Los motores de las bombas de agua de alimentación de la caldera en ITABO I son motores de inducción de 5697 HP, 690A nominal, que trabajan a 4160Voltios y que durante el arranque pueden consumir alrededor de 5.5 veces su corriente nominal. Este aumento de la corriente se mantiene hasta que la bomba alcance su velocidad nominal. Estos motores se utilizan para llevar el agua de alimentación hacia la entrada de la caldera, la cual convierte el agua en vapor. Este vapor se dirige hacia la turbina para hacerla girar y mover el rotor del generador eléctrico. En las plantas térmicas las bombas de agua de alimentación son un equipo de alta criticidad, ya que son un componente imprescindible en el funcionamiento del ciclo termodinámico. Por esto, es muy importante para la operación de la planta térmica el disponer de bombas de agua de alimentación que sean confiables y que estén disponibles para cuando se requiera su puesta en servicio.
ANTECEDENTES
El proceso de arranque de las bombas de agua de alimentación (BAA) de ITABO I requería la ejecución de una serie de maniobras tanto a lo interno del sistema eléctrico de ITABO como a lo externo en la red del Sistema Eléctrico Nacional Interconectado (SENI) de la República Dominicana. Antes de arrancar una bomba de estas, en ITABO se cambiaba de fuente de alimentación desde el transformador auxiliar de la unidad hasta el transformador de arranque. Esto se realizaba debido a que el transformador de arranque tenía un devanado terciario especial, lo que lo hacía más capaz para los arranques de las BAA.
A lo externo se realizaban cortes de energía para que el voltaje del sistema de 138kV mejorara, y por lo tanto, también mejorara el voltaje de la barra de arranque de 4.16kV de ITABO. Esto se hacía para disponer de una fuente de energía robusta que limitara la caída de la tensión a niveles que no activaran la protección de mínima tensión, la cual se activaba a los 3558 Voltios. La experiencia demostraba que si el voltaje de la barra de arranque estaba por debajo de 3900 Voltios, se corría el riesgo de disparar la barra completa por mínima tensión lo que causaría una salida de la planta.
Según la medición mostrada en la figura 1, puede verse que el voltaje cae de 4160 (104.0) V hasta 3528 (88.2) V durante el arranque del motor de la BAA 1A. Esto representa una caída del 15.2%. También puede verse la diferencia en la magnitud de voltaje cuando se cambia de fuente de alimentación. En esta ocasión, aunque el voltaje alcanzó niveles de activación del relé de mínima tensión, no hubo disparo debido a la característica de tiempo inverso del relevador.
En otras ocasiones el desenlace no era favorable, sino que ocurría un colapso total del voltaje (Figura 2), provocando la salida forzada de la unidad.
Una segunda dificultad se presentaba por efectos acumulativos en las bobinas de los estatores de los motores de las BAA. Debido a la alta corriente demandada en el arranque de estos motores, se producían esfuerzos electromecánicos de grandes proporciones en las cabezas de las bobinas, lo que producía deformaciones que gradualmente iban a provocar la falla del motor. En más de dos ocasiones ocurrieron fallas en el estator del motor debido a desplazamiento de las cabezas de bobinas. Ver figura 3.
Para contrarrestar los esfuerzos electromecánicos que sufrían estas bobinas, se procedió a realizar un diseño especial de amarre de la bobina (Figura 4), de esta manera se reducían los desplazamientos del bobinado en el momento de arranque. Sin embargo, esto no era una solución definitiva a los esfuerzos electromecánicos ni a los problemas de caída de voltaje.
Lo anterior creó la necesidad de hacer una mejora al sistema de arranque de los motores de las BAA, con lo que surgió la idea de los arrancadores suaves (SOFT STARTERS).
INSTALACION Y PRUEBAS DE SOFT STARTERS
El esquema propuesto de instalación para los SOFT STARTERS se muestra en la figura 5. Puede verse que la instalación existente consistía en un arranque directo a la línea de voltaje (DIRECT ONLINE, DOL), mientras que la instalación nueva no conectaba directamente la línea al motor, sino a través del SOFT STARTER.
Se realizaron muchas pruebas de comparación para determinar cuánto mejoraba la caída de voltaje en el momento de arrancar el motor de la BAA. Se hicieron mediciones de voltaje y corriente bajo diversos escenarios, se graficaron, se registraron valores máximo y mínimo, y se recomendaron parámetros de ajuste de tiempo de aceleración y de corriente inicial. Estos escenarios se describen a continuación.
Arranque Directo en Vacío. Lo primero y más lógico era hacer oscilografía para medir la corriente y el voltaje en un arranque directo a la línea (DOL). De esta manera se tendría una referencia para realizar luego las comparaciones. En la figura 6 se muestra la corriente de arranque en vacío para el motor de la BAA 1A.
Los resultados de estas mediciones fueron:
3167A-rms
4480A-pico
6400 A-pico asimétrico
5segs.-duración transitorio
4.6-Veces corriente arranque
Respecto al voltaje, las mediciones se muestran en la figura 7.
En este arranque directo el voltaje de la barra era de (111.3×4400/115) = 4258 Voltios. La caída de tensión fue hasta (98.7×4400/115) = 3776 Voltios. Esto, en términos porcentuales representa una caída de (4258-3776)/4258×100 = 11.32%.
Arranque 1 con SOFT STARTER con carga. Se procedió a realizar un ajuste inicial en los parámetros del SOFT STARTER. La corriente inicial aplicada fue de 400% de la corriente nominal y un tiempo de aceleración de 5 segundos (ver Figura 8).
Los resultados de estas mediciones fueron:
2720A-rms
3847A-pico
5600 A-pico asimétrico
23segs.-duración transitorio
3.9-Veces corriente arranque
Respecto al voltaje, las mediciones se muestran en la figura 9.
En este arranque con SOFT STARTER el voltaje de la barra era de (110.7×4400/115) = 4235 Voltios. La caída de tensión fue hasta (99.8×4400/115) = 3818 Voltios. Esto, en términos porcentuales representa una caída de (4235-3818)/4235×100 = 9.8%.
Arranque 2 con SOFT STARTER con carga. Se procedió a variar el ajuste inicial en los parámetros del SOFT STARTER. La corriente inicial aplicada fue de 350% de la corriente nominal y un tiempo de aceleración de 7 segundos (ver Figura 10).
Los resultados de estas mediciones fueron:
2270A-rms
3210A-pico
No -pico asimétrico
22segs.-duración transitorio
3.3-Veces corriente arranque
Respecto al voltaje, las mediciones se muestran en la figura 11.
En este arranque con SOFT STARTER el voltaje de la barra era de (110.8×4400/115) = 4239 Voltios. La caída de tensión fue hasta (101.2×4400/115) = 3872 Voltios. Esto, en términos porcentuales representa una caída de (4239-3872)/4239×100 = 8.7%.
Coordinación de los dispositivos de sobrecorriente. Otro aspecto que se tomó en cuenta es el relacionado con los niveles de corriente en la barra auxiliar de ITABO I. Esta barra tiene una corriente nominal de diseño de 2500 Amperes.
El ajuste original del relé de protección de sobrecorriente del tipo IAC54A estaba en el tap 5 y el dial de tiempo 5. La relación del transformador de corriente es 2500/5. Esto significa que el disco del relé va a empezar a moverse con 2500 amperes circulando por la barra. Cuando se arranca una BAA directamente, estando la unidad en servicio con la otra BAA funcionando, la corriente en la barra alcanza el valor de 4500 amperes. Esto es 1.8 veces el tap, por lo que el relé de sobrecorriente dispararía a los 8.5 segundos. Por otro lado, cuando se arranca una BAA con un arranque suave, estando la unidad en servicio con la otra BAA funcionando, la corriente en la barra alcanza el valor de 3700 amperes. Esto es 1.48 veces el tap, por lo que el relé de sobrecorriente dispararía a los 30 segundos (Figura 12). Por lo tanto, con los SOFT STARTERS la barra tiene una reserva de capacidad térmica mayor.
BENEFICIOS OBTENIDOS
Puede verse que con la utilización de SOFT STARTERS la caída de tensión en la barra de arranque es menor, lo que reduciría considerablemente la posibilidad de disparos por mínima tensión en el momento de arrancar las BAA. Esto se traduce en una mejora significativa en la disponibilidad de este equipo y en un aumento de la confiabilidad de la planta.
Por otro lado, como resultado de una aplicación gradual del voltaje a las bobinas del motor en el momento de arranque, se obtiene un beneficio importante al reducir los esfuerzos electromecánicos que históricamente han provocado averías en estos motores. De esta manera se prolonga la vida útil de estos motores, eliminando los costos que se incurrían en las reparaciones de estos motores.
La siguiente tabla comparativa ilustra los beneficios en relación a las caídas de voltaje, donde se mejora significativamente de un 15.2% hasta un 8.7%. Puede notarse también la diferencia de las corrientes de arranque.
REFERENCIAS
[1] J. Bredthauer and N. Struck, ‘‘Starting of large medium voltage motors: Design, protection and safety aspects,’’ IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 31, pp. 1167–1176, Sept./Oct. 1995.
[2] F. Endrejat and P. Pillay, ‘‘The Soft Starters: Adjustable-speed systems for multiple megawatt rated motors,’’ IEEE Ind. Applicat. Magazine, Nov./Dic. 2008.
