El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) explica de manera resumida el funcionamiento de una central hidroeléctrica de bombeo, y se centra en el estudio de uno de sus componentes, la máquina síncrona. Al variar el modo de funcionamiento de estas centrales, al pasar de bombear agua a producir energía eléctrica, o viceversa, la máquina síncrona debe frenar para cambiar su régimen de giro. Se explica cómo se podría optimizar el funcionamiento de estas centrales reduciendo los tiempos de frenado de estas grandes máquinas.
La motivación del proyecto surge de la fascinación personal hacia las máquinas eléctricas y su funcionamiento. También de la necesidad de implantar con eficacia en la red la energía eléctrica producida a partir de fuentes renovables, como puede ser la energía fotovoltaica o eólica, ya que su producción es más difícil de predecir. En este contexto, optimizar el funcionamiento de las centrales de bombeo estudiando sus máquinas síncronas cumple con creces con ambos pretextos.
En primer lugar, se ha realizado un estudio de los métodos de frenado de las máquinas síncronas. Se han explicado los diferentes métodos de frenado y las ventajas y desventajas que pueden tener.
Tras concluir que el frenado eléctrico es uno de los métodos de frenado más efectivo, se ha explicado su fundamento teórico y alguna variante que hace este tipo de frenado aún más eficaz, para reducir en mayor medida el tiempo de frenado. Principalmente, la mejora implementada consiste en realizar el cortocircuito en los bornes de alta tensión del transformador de potencia, en lugar de en el estator de la máquina como se suele hacer, para amentar las pérdidas y el par de frenado.
Una vez terminado el estudio teórico, se han realizado ensayos en el laboratorio del “Departamento de Máquinas Eléctricas” de la ETSII (UPM) para probar los fundamentos teóricos estudiados. Se ha utilizado una bancada con una máquina síncrona que comparte eje de giro con una máquina de inducción, y un transformador de potencia externo.
Principalmente, se han desarrollado ensayos de tres tipos de frenado con la máquina síncrona: el frenado libre, el frenado eléctrico y el frenado eléctrico con la mejora. Además, dentro de cada frenado eléctrico se han realizado los ensayos para diferentes valores de intensidad de cortocircuito, excitando en una mayor o menor medida la máquina síncrona.
Tras realizar los ensayos en el laboratorio, en los que se registraban los datos en un osciloscopio, se ha utilizado Microsoft Excel para analizar los datos obtenidos y graficarlos. Además, se ha hecho uso de Matlab para calcular las incógnitas necesarias, mediante el método de mínimos cuadrados. Con la ayuda del software Microsoft Excel, se ha conseguido graficar de forma aproximada la evolución de las velocidades de cada frenado realizado respecto del tiempo. De igual manera, se ha calculado y graficado la energía respecto del tiempo para cada frenado implementado.
Los resultados que se han obtenido tras los ensayos coinciden con lo esperado teóricamente. Es decir, el frenado eléctrico reduce notablemente el tiempo de frenado de la máquina síncrona respecto al frenado libre. Además, el frenado eléctrico con la mejora implementada reduce el tiempo de frenado respecto al frenado eléctrico convencional en valores de entre el 20-30%.
Concluyendo, el frenado eléctrico es una manera muy eficaz de reducir los tiempos de frenado de una máquina síncrona, obteniéndose reducciones de en torno un 85% del tiempo de frenado. Se puede reducir aún más este tiempo realizando pequeñas mejoras, como puede ser realizando el cortocircuito en las bornas del lado de alta tensión del transformador de potencia. Es una manera sencilla de optimizar notablemente los tiempos de funcionamiento de una central hidroeléctrica reversible.
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This Final Degree Project (TFG) provides a summarized explanation of the operation of a pumped-storage hydroelectric plant and focuses on the study of one of its components, the synchronous machine. When switching the operating mode of these plants, from pumping water to producing electrical energy, or vice versa, the synchronous machine must decelerate to change its rotation regime. This project explains how the operation of these plants could be optimized by reducing the braking times of these large machines.
The motivation for the project arises from personal fascination with electric machines and their operation. Additionally, it stems from the need to effectively integrate the electrical energy produced from renewable sources, such as photovoltaic or wind energy, into the grid, given the unpredictable nature of their production. In this context, optimizing the operation of pumped-storage plants by studying their synchronous machines fully aligns with both pretexts.
First, a study of the braking methods for synchronous machines was conducted. The different braking methods and their advantages and disadvantages were explained.
Upon concluding that electrical braking is one of the most effective braking methods, its theoretical basis and some variants that make this type of braking even more efficient to further reduce braking time were explained. The main improvement implemented involves short-circuiting the high-voltage terminals of the power transformer, instead of the machine’s stator as is commonly done, to increase losses and braking torque.
Once the theoretical study was completed, tests were conducted in the “Department of Electrical Machines” laboratory at ETSII (UPM) to validate the theoretical principles studied. A test bench with a synchronous machine sharing a rotational axis with an induction machine and an external power transformer was used.
Primarily, three types of braking tests were developed with the synchronous machine: free braking, electrical braking, and electrical braking with improvement. Additionally, within each electrical braking test, trials were conducted for different short-circuit current values, exciting the synchronous machine to varying degrees.
After performing the laboratory tests, where data was recorded on an oscilloscope, Microsoft Excel was used to analyze and graph the obtained data. Additionally, Matlab was used to calculate the necessary variables using the least squares method.
With the aid of Microsoft Excel, the evolution of the speeds for each braking test over time was approximately graphed. Similarly, the energy over time for each implemented braking method was calculated and graphed.
The results obtained from the tests aligned with theoretical expectations. In other words, electrical braking significantly reduces the braking time of the synchronous machine compared to free braking. Moreover, electrical braking with the implemented improvement reduces the braking time compared to conventional electrical braking by values between 20-30%.
In conclusion, electrical braking is a highly effective way to reduce the braking times of a synchronous machine, achieving reductions of around 85% in braking time. This time can be further reduced by implementing small improvements, such as short-circuiting the high-voltage terminals of the power transformer. It is a simple way to significantly optimize the operating times of a pumped-storage hydroelectric plant.
El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) explica de manera resumida el funcionamiento de una central hidroeléctrica de bombeo, y se centra en el estudio de uno de sus componentes, la máquina síncrona. Al variar el modo de funcionamiento de estas centrales, al pasar de bombear agua a producir energía eléctrica, o viceversa, la máquina síncrona debe frenar para cambiar su régimen de giro. Se explica cómo se podría optimizar el funcionamiento de estas centrales reduciendo los tiempos de frenado de estas grandes máquinas.
La motivación del proyecto surge de la fascinación personal hacia las máquinas eléctricas y su funcionamiento. También de la necesidad de implantar con eficacia en la red la energía eléctrica producida a partir de fuentes renovables, como puede ser la energía fotovoltaica o eólica, ya que su producción es más difícil de predecir. En este contexto, optimizar el funcionamiento de las centrales de bombeo estudiando sus máquinas síncronas cumple con creces con ambos pretextos.
En primer lugar, se ha realizado un estudio de los métodos de frenado de las máquinas síncronas. Se han explicado los diferentes métodos de frenado y las ventajas y desventajas que pueden tener.
Tras concluir que el frenado eléctrico es uno de los métodos de frenado más efectivo, se ha explicado su fundamento teórico y alguna variante que hace este tipo de frenado aún más eficaz, para reducir en mayor medida el tiempo de frenado. Principalmente, la mejora implementada consiste en realizar el cortocircuito en los bornes de alta tensión del transformador de potencia, en lugar de en el estator de la máquina como se suele hacer, para amentar las pérdidas y el par de frenado.
Una vez terminado el estudio teórico, se han realizado ensayos en el laboratorio del “Departamento de Máquinas Eléctricas” de la ETSII (UPM) para probar los fundamentos teóricos estudiados. Se ha utilizado una bancada con una máquina síncrona que comparte eje de giro con una máquina de inducción, y un transformador de potencia externo.
Principalmente, se han desarrollado ensayos de tres tipos de frenado con la máquina síncrona: el frenado libre, el frenado eléctrico y el frenado eléctrico con la mejora. Además, dentro de cada frenado eléctrico se han realizado los ensayos para diferentes valores de intensidad de cortocircuito, excitando en una mayor o menor medida la máquina síncrona.
Tras realizar los ensayos en el laboratorio, en los que se registraban los datos en un osciloscopio, se ha utilizado Microsoft Excel para analizar los datos obtenidos y graficarlos. Además, se ha hecho uso de Matlab para calcular las incógnitas necesarias, mediante el método de mínimos cuadrados. Con la ayuda del software Microsoft Excel, se ha conseguido graficar de forma aproximada la evolución de las velocidades de cada frenado realizado respecto del tiempo. De igual manera, se ha calculado y graficado la energía respecto del tiempo para cada frenado implementado.
Los resultados que se han obtenido tras los ensayos coinciden con lo esperado teóricamente. Es decir, el frenado eléctrico reduce notablemente el tiempo de frenado de la máquina síncrona respecto al frenado libre. Además, el frenado eléctrico con la mejora implementada reduce el tiempo de frenado respecto al frenado eléctrico convencional en valores de entre el 20-30%.
Concluyendo, el frenado eléctrico es una manera muy eficaz de reducir los tiempos de frenado de una máquina síncrona, obteniéndose reducciones de en torno un 85% del tiempo de frenado. Se puede reducir aún más este tiempo realizando pequeñas mejoras, como puede ser realizando el cortocircuito en las bornas del lado de alta tensión del transformador de potencia. Es una manera sencilla de optimizar notablemente los tiempos de funcionamiento de una central hidroeléctrica reversible.
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This Final Degree Project (TFG) provides a summarized explanation of the operation of a pumped-storage hydroelectric plant and focuses on the study of one of its components, the synchronous machine. When switching the operating mode of these plants, from pumping water to producing electrical energy, or vice versa, the synchronous machine must decelerate to change its rotation regime. This project explains how the operation of these plants could be optimized by reducing the braking times of these large machines.
The motivation for the project arises from personal fascination with electric machines and their operation. Additionally, it stems from the need to effectively integrate the electrical energy produced from renewable sources, such as photovoltaic or wind energy, into the grid, given the unpredictable nature of their production. In this context, optimizing the operation of pumped-storage plants by studying their synchronous machines fully aligns with both pretexts.
First, a study of the braking methods for synchronous machines was conducted. The different braking methods and their advantages and disadvantages were explained.
Upon concluding that electrical braking is one of the most effective braking methods, its theoretical basis and some variants that make this type of braking even more efficient to further reduce braking time were explained. The main improvement implemented involves short-circuiting the high-voltage terminals of the power transformer, instead of the machine’s stator as is commonly done, to increase losses and braking torque.
Once the theoretical study was completed, tests were conducted in the “Department of Electrical Machines” laboratory at ETSII (UPM) to validate the theoretical principles studied. A test bench with a synchronous machine sharing a rotational axis with an induction machine and an external power transformer was used.
Primarily, three types of braking tests were developed with the synchronous machine: free braking, electrical braking, and electrical braking with improvement. Additionally, within each electrical braking test, trials were conducted for different short-circuit current values, exciting the synchronous machine to varying degrees.
After performing the laboratory tests, where data was recorded on an oscilloscope, Microsoft Excel was used to analyze and graph the obtained data. Additionally, Matlab was used to calculate the necessary variables using the least squares method.
With the aid of Microsoft Excel, the evolution of the speeds for each braking test over time was approximately graphed. Similarly, the energy over time for each implemented braking method was calculated and graphed.
The results obtained from the tests aligned with theoretical expectations. In other words, electrical braking significantly reduces the braking time of the synchronous machine compared to free braking. Moreover, electrical braking with the implemented improvement reduces the braking time compared to conventional electrical braking by values between 20-30%.
In conclusion, electrical braking is a highly effective way to reduce the braking times of a synchronous machine, achieving reductions of around 85% in braking time. This time can be further reduced by implementing small improvements, such as short-circuiting the high-voltage terminals of the power transformer. It is a simple way to significantly optimize the operating times of a pumped-storage hydroelectric plant. Read More
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