Pb0629t Generadores y Sistemas de Control Micro y Mini
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Generadores y sistemas de control en micro y mini centrales hidroeléctricas de 1kW a 1MW
Por:
Roberto Batista Fernández Josué Fonseca Barboza
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre de 2006
ii
Generadores y sistemas de control en micro y mini centrales hidroeléctricas de 1kW a 1MW
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________ Ing. Jaime Allen Flores
Profesor Guía
_________________________________ ________________________________
Ing. Víctor Alfaro Ruiz, M.Sc. Ing. José Joaquín Chacón Leandro, M.Sc. Profesor lector Profesor Lector
iii
DEDICATORIA
A nuestros amigos y padres por todo su apoyo, y a nuestros profesores por todo el
conocimiento otorgado a través de los años.
iv
RECONOCIMIENTOS
A nuestro profesor guía Jaime Allen y a todos los que cooperaron amablemente con el
desarrollo de este proyecto.
v
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................ vii ÍNDICE DE TABLAS................................................................................... ix
NOMENCLATURA....................................................................................... x
RESUMEN.................................................................................................... xii CAPÍTULO 1: Introducción ......................................................................... 1
1.1 Objetivos.................................................................................................................3 1.1.1 Objetivo general..............................................................................................3 1.1.2 Objetivos específicos ......................................................................................3
1.2 Metodología ............................................................................................................4 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ................................................................ 5
2.1 Generación de electricidad......................................................................................5 2.1.1 Carga de Baterías (DC)...................................................................................7 2.1.2 Generación alterna ..........................................................................................8
CAPÍTULO 3: Generadores.......................................................................... 9
3.1 Generadores sincrónicos (GS) ................................................................................9 3.1.1 Excitación del GS .........................................................................................10 3.1.2 Eficiencia en los generadores sincrónicos ....................................................10
3.2 Generadores asíncronos (GA)...............................................................................12 3.3 Motor de inducción como generador ....................................................................13 3.4 Motores DC de magneto permanente como generadores .....................................16
3.4.1 Proceso de conmutación ...............................................................................16 3.4.2 Control de voltaje..........................................................................................20 3.4.3 Generadores Baldor del tipo PMDC.............................................................22
3.5 El alternador como generador...............................................................................22 3.5.1 Reguladores en alternadores .......................................................................24 3.5.2 Reguladores especiales en alternadores........................................................26 3.5.3 Modificación para obtener corriente alterna en alternadores........................30
CAPÍTULO 4: Sistemas y dispositivos de control ..................................... 32
4.1 La regulación de carga..........................................................................................33 4.2 La regulación por caudal.......................................................................................35
4.2.1 Reguladores de velocidad .............................................................................36 4.2.2 Funcionamiento de un sistema de regulación de velocidad..........................38
4.3 Control automático ...............................................................................................40 CAPÍTULO 5: Equipos de protección eléctrica ........................................ 42
vi
5.1 Protección del generador ......................................................................................43 5.2 Protección tierra-estator y protecciones mecánicas ..............................................45 CAPÍTULO 6: Discusión y Conclusiones ................................................... 47
6.1 Generadores ..........................................................................................................47 6.2 Sistemas de Control ..............................................................................................54 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................... 57
APÉNDICES................................................................................................. 67
APÉNDICE A: Datos Técnicos de Motores de Magneto Permanente Baldor .....................67 APÉNDICE B: Alternadores ................................................................................................69 APÉNDICE C: Reguladores.................................................................................................82 APÉNDICE D: Base de datos y enlaces en formato digital .................................................98
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Comparación entre un suministro directo de energía y uno con varias conversiones........................................................................................................................2
Figura 2.1 Principio de funcionamiento de generadores de corriente alterna.....................5
Figura 3.1 Esquema de un motor de inducción utilizado como generador.......................13
Figura 3.2 Máquina DC con colector y escobillas............................................................17
Figura 3.3 Gráfica del voltaje de salida ............................................................................18
Figura 3.4 Circuito del estator de un alternador de automóvil .........................................23
Figura 3.5 Circuito típico de un regulador de voltaje para un alternador .........................26
Figura 3.6 Esquema de carga de baterías con un alternador como generador..................27
Figura 3.7 Regulador modificado para manejar potencias de hasta 3kW ........................28
Figura 3.8 Modificación de un alternador para obtener voltajes AC................................31
Figura 4.1 Esquema de regulación por carga....................................................................34
Figura 4.2 Diagrama de bloques de una MCH junto con su sistema de control...............40
Figura B.1 Esquema de construcción de un “Water Motor” ............................................73
Figura B.2 Sistema con Generador Nomad ......................................................................77
Figura B.3 Componentes en Generadores DC..................................................................80
Figura C.1 Método de derivación por paquetes ................................................................87
Figura C.2 Método de derivación por ángulo ...................................................................88
Figura C.3 Método de derivación por ángulo para el Hummingbird................................97
ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Potencia y usos de diversos sistemas de generación...........................................6
Tabla 3.1 Eficiencia para un motor de inducción trifásico tipo NEMA B ....................16
Tabla 6.1 Potencia de los distintos generadores ...............................................................57
Tabla A.1 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3320..................................................67
Tabla A.2 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3436..................................................67
Tabla A.3 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3455..................................................67
Tabla A.4 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3604..................................................67
Tabla A.5 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3605..................................................68
Tabla B.1 Tensión y Corriente de alternadores compactos serie B ..................................69
Tabla B.2 Clasificación de Alternadores de Bosch ..........................................................70
Tabla B.3 Datos Técnicos de Alternadores Bosch............................................................70
Tabla B.4 Ficha Técnica para alternadores “Water Motor” .............................................73
Tabla B.5 Fichas técnicas para modelos MHG.................................................................74
Tabla B.6 Ficha técnica para modelo MHG-T1................................................................74
Tabla B.7 Ficha técnica para modelo MHG-T2................................................................75
Tabla B.8 Ficha técnica para modelo MGH-T8................................................................75
Tabla B.9 Ficha técnica para modelo MGH-T16..............................................................75
Tabla B.10 Datos técnicos del Nomad™ ...........................................................................77
Tabla B.11 Datos Técnicos del Nomad™..........................................................................78
Tabla B.12 Datos del Nomad™ con Rotor de 2pulg. .......................................................78
Tabla B.13 Datos del Nomad™ con Rotor de 3pulg. .......................................................78
Tabla B.14 Datos del Nomad™ con Rotor de 4pulg. .......................................................79
Tabla B.15 Datos del Nomad™ con Rotor de 6pulg. .......................................................79
Tabla B.16: Potencia de Salida según la Caída y Flujo del Agua en el Harris.................81
Tabla C.1 Regulador Modelo “Junior” .............................................................................82
Tabla C.2 Regulador Modelo “A2” ..................................................................................82
Tabla C.3 Regulador Modelo “H” ....................................................................................82
x
Tabla C.4 Regulador Modelo “K2” ..................................................................................82
Tabla C.5 Regulador Modelo “LCX” ...............................................................................83
Tabla C.6 Regulador Modelo “G” ....................................................................................83
Tabla C.7 Regulador Modelo “I”......................................................................................83
Tabla C.8 Ficha Técnica Regulador electrónico con generador sincrónico monofásico modelo C3.........................................................................................................................84
Tabla C.9 Ficha Técnica de Regulador electrónico C&C con generador sincrónico trifásico modelo C3...........................................................................................................84
x
NOMENCLATURA
C Capacitancia
AC Corriente alterna
DC Corriente directa
H Caída del agua en metros
IGC Controlador de generador de inducción
ELC Controlador electrónico de carga
PD Controlador proporcional derivativo
PI Controlador proporcional integral
PLC Controlador lógico programable
Q Caudal del agua
..pf Factor de potencia
f Frecuencia en Hz
GA Generador asincrónico
GS Generador sincrónico
L Inductancia
MCH Micro/mini central hidroeléctrica
MI Motor de inducción
PM Motor de imanes permanentes
PMDC Motor de corriente directa de magnetos permanentes
p Número de polos del generador
S Potencia aparente
P Potencia en kW
AVR Regulador automático de voltaje
R Resistencia
rpm Revoluciones por minuto
xi
CT Transformador de corriente
PT Transformador de potencia
UW “Under Water”
sn Velocidad del generador
W Velocidad angular
V Voltaje
ZNI Zona no interconectada
xii
RESUMEN
En este proyecto se realizó un estudio acerca de los distintos generadores, sistemas de
control y diferentes equipos de protección más utilizados en centrales hidroeléctricas de
pequeña escala, según la demanda de potencia del sistema. Este estudio se realizó
acudiendo a distintas obras bibliográficas y con la ayuda didáctica de distintos organismos
y compañías que se relacionan con el desarrollo de energías renovables y específicamente,
con la micro y mini energía hidroeléctrica.
Durante el desarrollo se estudiaron variables tales como la potencia que se desea
suministrar en el sistema, el tipo de tensión que se desea obtener (AC o DC), y la
implementación del sistema de control y de protección de la central, para poder obtener una
confiabilidad en la energía que se está produciendo.
Con respecto a los generadores, se pudo concluir que para proyectos micro o mini
hidroeléctricos de pequeña potencia (aproximadamente hasta 200kW), se utilizan
generadores asíncronos, sin embargo existen opciones más económicas para potencias que
se encuentran en este rango, éste es el caso de la utilización de motores de inducción como
generadores (hasta 15kW) y los motores DC de magneto permanente como generadores
(hasta 10kW). También es posible utilizar alternadores de magnetos permanentes o de
arrollados como generadores para muy bajas potencias (hasta 2kW), pero con este sistema
xiii
se posee una eficiencia muy reducida. Para potencias mayores (hasta 1MW) se deben de
utilizar generadores sincrónicos.
Con respecto a los sistemas de control de las MCH, se tiene que el sistema de regulación de
frecuencia o de voltaje que se desee utilizar es muy dependiente del sistema como conjunto
y de la financiación disponible. Se utilizan dos tipos de control del sistema: por carga o por
caudal. El primero se utiliza cuando el recurso del agua es abundante y la potencia generada
es constante en todo momento. El control por caudal se utiliza controlando el flujo de agua
que llega al conjunto generador turbina, así se reduce y se optimiza el uso del agua.
Con respecto a la protección del sistema, se tiene que las MCH (como todo sistema
eléctrico) deben tener malla de tierra de protección y conectar a tierra todas las carcasas y
gabinetes de todos los equipos: generador, tableros, regulador, etc.
Para finalizar, se desarrolló un documento html en donde se pueden encontrar múltiples
enlaces a páginas web de fabricantes y de información relacionados con el tema central de
este proyecto.
1
CAPÍTULO 1: Introducción
Actualmente las fuentes de energía renovable toman gran importancia debido a que ésta
presenta una forma viable de aprovechar los recursos naturales para obtener energía limpia
sin escasear el recurso y sin los efectos de contaminación, ya que no se produce monóxido
ni dióxido de carbono, entre estas energías renovables se encuentra la generación
hidroeléctrica.
Los rangos de potencias de una central hidroeléctrica resultan muy subjetivos y varían en
las diferentes fuentes bibliográficas consultadas y lugares geográficos. Para este proyecto se
dividen los rangos de potencia entregada de la siguiente forma: se denominan micro
centrales hidroeléctricas aquellos proyectos de generación de energía hidroeléctrica que
trabajan en el rango de 1 a 100kW y mini centrales hidroeléctricas de 100kW a 1MW,
ambas en conjunto se llaman MCH.
En resumen, estos sistemas funcionan gracias al recurso hídrico, ya que se obtiene energía
cinética o hidráulica debido a la fuerza de caída del agua, para luego ser transformada en
energía mecánica a través de la turbina; posteriormente un generador acoplado a la turbina
permite transformar esta energía en energía eléctrica, y así generar beneficios en las
comunidades rurales o alejadas donde han sido instaladas o a las Zonas No Interconectadas
(ZNI).
2
Las micro y mini centrales hidroeléctricas presentan las siguientes ventajas:
• No necesitan combustible; utilizan la fuerza del agua.
• Bajo costo de generación y manutención
• No contaminan el medio ambiente, porque no producen gases ni humo.
• Normalmente su trabajo es continuo, las 24 horas al día.
• Las MCH son un sistema directo, por lo que se eliminan las pérdidas que conllevan
un sistema convencional de generación, en donde la distribución y transmisión se
da en cadenas complejas donde se agregan grandes pérdidas (figura 1.1).
Figura 1.1 Comparación entre un suministro directo de energía y uno con varias conversiones [ ]36
3
En la figura 1.1 se comparan dos tipos de generación de energía, una en forma directa y
otra que involucra varios procesos de transformación y transmisión, y se consideran las
pérdidas para el peor caso en cada etapa del proceso. Así se logra apreciar cómo se logran
disminuir pérdidas con una MCH.
Las MCH poseen desventajas en cuanto a la disponibilidad de los recursos hidráulicos y a
la dependencia de factores geográficos y meteorológicos, además, se requiere de una
importante inversión inicial de instalación, debido a los altos precios de los equipos
requeridos y de la obra civil.
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Desarrollar una base de conocimiento para la escogencia de generadores y sistemas de
control de micro y mini centrales hidroeléctricas de 1kW a 1MW.
1.1.2 Objetivos específicos
• Analizar los generadores de uso en plantas hidroeléctricas de 1kW a 1MW,
tomando en cuenta el tipo y la potencia entregada.
• Analizar los sistemas de control de uso en plantas hidroeléctricas de 1kW a 1MW,
tomando en cuenta la potencia generada y el tipo de generador.
4
• Analizar los distintos sistemas de protección utilizados en centrales hidroeléctricas
de de 1kW a 1MW.
• Crear un documento en formato digital con enlaces sobre generadores y sistemas de
control y de otros temas de interés en el desarrollo de micro y mini centrales
hidroeléctricas.
1.2 Metodología
• Recopilación de datos acerca de generadores, sistemas de control y protección de
centrales hidroeléctricas disponible en diferentes fuentes como libros, artículos de
revistas, proyectos, tesis y la web.
• Selección de la información otorgada por industrias fabricadoras o distribuidoras de
generadores de 1kW a 1MW.
• Selección de la información otorgada por industrias dedicadas al desarrollo de la
energía renovable.
• Comparación de distintos sistemas micro y mini hidroeléctricos disponibles en el
mercado actualmente.
• Visita a una empresa relacionada con el tema de MCH.
• Colección en formato digital de la información seleccionada y de las distintas
fuentes de interés.
5
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 1
2.1 Generación de electricidad
El tipo de generación en una MCH depende de la demanda de energía y el tipo de cargas
que se abastecen, así se pueden dar dos tipos: un sistema de generación de corriente
continua (mediante la carga de baterías), o un sistema de generación de corriente alterna.
“El principio fundamental de la actuación de un campo magnético variable atravesando
espira de material conductor, que da origen a la corriente alterna, es el que permite tanto el
diseño de las máquinas generadoras como el de dispositivos de transformación de voltaje
(transformadores de potencia) al que se transmite la carga.” [36]
Figura 2.1 Principio de funcionamiento de generadores de corriente alterna [ ]36
1 Tomado según lo indicado en [11, 36, 41]
6
Cuando la demanda en el sistema es alta, resulta conveniente utilizar corriente alterna
trifásica, y también cuando sea estrictamente necesario el uso de motores trifásicos.
Así que antes de construir una MCH se debe de definir el tipo de generación, y éste se elige
según la escala del requerimiento y del tipo de usos de la electricidad que serán satisfechos.
En la tabla 2.1 se muestran estas relaciones para casos básicos generales.
Tabla 2.1 Potencia y usos de diversos sistemas de generación [ ]36
Sistema de generación Rango de potencies Usos más communes
Corriente continua,
carga de baterías
0 – 5 kW Iluminación y pequeños
electrodomésticos
Corriente alterna
monofásica
5 kW a 10 kW Iluminación, pequeños
motores monofásicos
(domésticos o productivos)
Corriente alterna trifásica Potencias mayores a 10kW Iluminación, pequeños
motores monofásicos
(domésticos o productivos)
y motores trifásicos para
fines productivos.
Estos valores indicados en la tabla 2.1 no deben verse como si fueran una norma, pero
generalmente son los que otorgan la mejor competitividad y ofrecen los mejores resultados
para los sistemas de generación descritos.
7
2.1.1 Carga de Baterías (DC)
“La carga de baterías puede ser la única y excluyente función de la MCH o puede integrarse
como un suministro más dentro del conjunto de cargas que serán abastecidos por la MCH.
En este último caso, el cargador de batería puede estar instalado en la misma MCH o en
cualquier punto de la red de distribución que esta alimenta.” [36]
Un sistema muy común para la carga de baterías es utilizar los alternadores de automóvil.
De esta forma pueden cargarse directamente las baterías ya que estos generadores tienen un
regulador de voltaje incorporado. Una desventaja de estos equipos es que son de baja
eficiencia y requieren multiplicador de velocidad ya que operan a altas velocidades.
En general se recomienda generar corriente alterna (120V, 220V o 480V), y al sistema
agregar transformadores y rectificadores (AC a DC), junto con un sistema de carga de
baterías, o sea tener ambos sistemas en uno solo.
El voltaje que se utiliza para la carga de las baterías es un poco superior al de la batería. Por
ejemplo, para una batería de 12V el cargador opera con tensiones de 15V y 16V.
“Los cargadores deben contar con dispositivos antidescarga o diodos en línea con cada
batería, para evitar la transferencia de energía entre baterías. Para efectos del cálculo de
perdidas, puede considerarse una eficiencia promedio del proceso de carga de batería del
75% lo cual es relativamente aceptable.” [36]
8
2.1.2 Generación alterna
La generación alterna involucra la presencia tanto de potencia activa (es la que
efectivamente se aprovecha como potencia útil) como de potencia reactiva (no produce
trabajo).
La frecuencia del sistema depende de la velocidad de rotación y del número de polos
magnéticos del generador, esta frecuencia varía según la región geográfica, y tiene un valor
de 60 ciclos por segundo (Hz) en Costa Rica.
“La capacidad de un generador se expresa comúnmente en términos de P y S, también por
lo general se indica un factor de potencia. En lo que respecta a cargas residenciales la
mayoría son resistivas puras (lámparas incandescentes, calentadores y cocinas de
resistencia) sin embargo hay unas cuantas que son reactivas inductivas (luces fluorescentes
y pequeños motores de electrodomésticos).” [36]
9
CAPÍTULO 3: Generadores
La función del generador es transformar la energía mecánica suministrada por la turbina en
energía eléctrica. En este capítulo se analizará los cinco tipos de generadores más utilizados
en las MCH:
• Generadores sincrónicos
• Generadores de inducción o asincrónicos
• Motores de inducción como generadores
• Motores DC de magneto permanente como generadores
• Alternadores de automóvil como generadores
3.1 Generadores sincrónicos (GS) [ ]33,11
En general los GS se utilizan para alimentar redes pequeñas de usuarios, o sea en la
mayoría de casos funcionan aislados a la red, aunque también se pueden interconectar. Por
esta razón se debe tener claro el proceso de sincronización de un GS con la red.
Un generador síncrono se arranca inicialmente en vacío, luego se comienza a regular la
entrada de agua (que proporciona la potencia mecánica) a la turbina para aumentar
gradualmente la velocidad. El generador se sincroniza con la red igualando previamente, en
la máquina y en la red, las tensiones eficaces, las frecuencias, los desfases y el sentido de
rotación.
10
Los GS poseen la desventaja de que necesitan un circuito extra que le brinde la excitación
al generador para poder arrancar, lo que supone más cantidad y complejidad del equipo.
3.1.1 Excitación del GS
La excitación de un GS consiste en hacer circular una corriente continua por el circuito de
campo. Generalmente la potencia utilizada para la excitación del generador representa entre
el 0,5% al 1% de la potencia útil del mismo. Se pueden mencionar tres tipos principales de
excitatrices para el caso de los generadores sincrónicos: rotativas de corriente continua, de
corriente alterna sin escobillas y estáticas. Actualmente se utilizan las estáticas aunque
todavía se pueden encontrar rotativas.
3.1.2 Eficiencia en los generadores sincrónicos [ ]30,13
Debido a que la mayoría de fabricantes no brindan en sus folletos o manuales de
generadores información sobre la eficiencia de éstos, se decidió trabajar este tema de forma
teórica, buscando información en libros sobre la eficiencia promedio de los generadores
según su potencia y tipo (sincrónico o de inducción).
La eficiencia del generador se define como la razón de la potencia de salida entre la
potencia de entrada. Existen cinco principales causas de pérdidas asociadas con un
generador eléctrico:
1. Fricción y resistencia aerodinámica.
11
2. Pérdidas en el núcleo.
3. Pérdidas en el cobre del devanado de campo.
4. Pérdidas en el cobre de la armadura.
5. Pérdidas misceláneas (aproximadamente 1% de la potencia de entrada).
“Los primeros tipos de pérdidas (1 y 2) son constantes, y no dependen de la carga. Las
pérdidas por fricción y resistencia aerodinámica se ven afectadas por aspectos como el
tamaño y la forma del rotor, también se pueden disminuir mediante un buen diseño del
abanico de ventilación interna. Las pérdidas en el núcleo están relacionadas con la energía
necesaria para magnetizar el núcleo del rotor y el estator. Las pérdidas en el cobre del
devanado de campo se refieren a la pérdida a través de la resistencia DC en el mismo. De
manera similar, las pérdidas en la armadura se calculan a partir de la resistencia DC de los
devanados del estator. Las pérdidas misceláneas cubren todas aquellas pérdidas no
contempladas anteriormente, como lo pueden ser las causadas por campos armónicos.” [30]
Los valores típicos de la eficiencia para los GS varían entre el 70% y el 90%. Generalmente
las máquinas sincrónicas tienen altos niveles de eficiencia nominal, pero para tamaños tan
pequeños entre 5 y 100kW, utilizados como generadores para MCH, la eficiencia ronda
entre el 70 y 80 % según sea su velocidad. Para potencias mayores de hasta 1MW puede ser
un poco mayor, entre un 80 u 85 %, e incluso podría llegar hasta 90 % pero todo dependerá
de la velocidad. Se debe recordar que la velocidad de giro de una máquina sincrónica está
ligada al número de polos de la misma y que a menor velocidad se requieren más polos
12
para una frecuencia dada y esto hace necesario más cobre y por ende baja un poco la
eficiencia.
También cabe mencionar que la eficiencia va ligada directamente con el costo de los
generadores, entre mayor sea la eficiencia mayor será el costo del generador. Esto se debe
tomar en cuenta a la hora de iniciar un proyecto.
3.2 Generadores asíncronos (GA) [ ]33,11
Los generadores asíncronos se utilizan generalmente conectados a grandes redes en las que
su potencia representa un porcentaje insignificante de la carga del sistema. De la red
extraen su corriente de excitación y absorben la potencia reactiva necesaria para su propia
magnetización. Cuando actúan de forma aislada, esta energía reactiva puede compensarse
mediante bancos de capacitores. A menos que se les conecte estos bancos los generadores
de inducción no pueden generar corriente cuando están desconectados de la red, ya que son
incapaces de suministrar su propia corriente de excitación. En las MCH se emplean siempre
que la potencia sea aproximadamente inferior a 200kW.
El generador asíncrono presenta la ventaja de no necesitar excitatriz, lo que simplifica el
equipo. Sin embargo presentan el fenómeno conocido como deslizamiento lo que provoca
que la eficiencia de un GA sea de 2% a un 4% inferior al de los generadores síncronos.
13
3.3 Motor de inducción como generador [ ]36
La teoría establece que cualquier generador se puede utilizar como motor y viceversa. Es
una alternativa viable entonces tomar un motor común de inducción para la generación de
electricidad. Sin embargo se debe tomar en cuenta dos consideraciones fundamentales.
Primero, se debe llevar el motor a girar más rápidamente que su velocidad nominal o de
placa (dada en rpm) para vencer el deslizamiento de la máquina. En segundo lugar, cuando
se va a arrancar la unidad, hay que excitar las bobinas con un pulso de corriente DC de
manera que éste pueda girar, en la figura 3.1 se muestra una fuente DC, la cual es la
encargada de brindar este pulso al MI para el arranque, esto mediante el interruptor
instantáneo (normalmente abierto). También se muestra el banco de capacitores, los cuales
después del arranque le brindan la potencia reactiva al MI para poder funcionar.
Figura 3.1 Esquema de un motor de inducción utilizado como generador [ ]4
“Los motores de inducción no tienen ninguna conexión física entre la bobina del estator y
el rotor. La electricidad que fluye en el rotor se da debido a que el campo magnético en la
bobina del estator está girando a una velocidad mayor que la del rotor. ” [4]
14
Por ejemplo para un MI de 4 polos la velocidad sincrónica son 1800 rpm, mientras que el
rotor está girando a una velocidad menor, puede ser de 1725 rpm (considerando un
deslizamiento del 5% que es lo usual en la zona de operación nominal). La diferencia de
velocidades induce una corriente en el rotor de la máquina.
Cuando se esté utilizado como generador, el motor debe girar entre un 4% y un 5% más
rápido que su velocidad sincrónica. Para un motor de 4 polos esto viene a ser
aproximadamente 1880 rpm, aunque puede variar dependiendo del nivel de carga del
mismo. Cuando la velocidad de giro es exactamente correcta, el motor producirá energía a
60Hz.
En el caso de las MCH, según la experiencia de empresas visitadas y fuentes consultadas,
la aplicación de MI como generadores se encuentra entre 2kW y 15kW aproximadamente.
A pesar de todo el uso de motores como generadores proporciona ciertas ventajas entre las
que se encuentran:
• Se consiguen fácilmente en el mercado local.
• Se puede adquirir en el mercado por menos costo que su equivalente síncrono.
• Los motores de inducción son robustos y tienen una construcción simple, no tiene
escobillas que se desgasten ni anillos deslizantes en su rotor.
• Las máquinas de inducción son completamente cerradas, de modo que aseguran la
protección contra el polvo y el agua.
15
• Los motores de inducción se pueden obtener en un amplio rango de potencias para
el trabajo en sistemas aislados.
Y entre sus desventajas se pueden mencionar:
• No siempre están disponibles con los rangos de voltaje adecuados para ser útiles
como generadores, por lo que podría ser necesario hacer modificaciones en la
conexión de los devanados o, en casos muy extremos, rebobinar.
• A diferencia del generador síncrono, que puede ser suministrado listo para su uso, la
máquina de inducción no trabajará si no se le conecta un banco de condensadores de
un valor adecuado a calcular. Esto permite que inicie la generación de energía.
En la tabla 3.1 se puede observar la eficiencia en función de la potencia del motor de
inducción trifásico tipo NEMA B.
16
Tabla 3.1 Eficiencia para un motor de inducción trifásico tipo NEMA B [ ]43
Potencia
(kW)
Potencia
(HP)
Rango de
Eficiencia
Nominal (%)
Eficiencia
Nominal
Promedio (%)
3,73 5 78 – 85 82
7,46 10 81 – 88 85
18,65 25 85 – 90 88
37,3 50 88 – 92 90
55,95 75 89,5 – 92,5 91
74,6 100 90 – 93,5 91,5
111,9 150 90 – 93 92,5
149,2 200 91,5 – 94 93
186,5 250 91,5 – 94,5 93,5
3.4 Motores DC de magneto permanente como generadores [ ]41,35,13
Las máquinas DC funcionando como generadores son parecidas a las máquinas AC en el
hecho de que dentro de ellas tienen voltajes y corrientes AC sin embargo su salida es DC
porque cuentan con mecanismos que rectifican su voltaje de salida de una forma mecánica.
3.4.1 Proceso de conmutación [ ]13
La máquina DC más sencilla de analizar es simplemente una espira que gira bajo la
influencia de un campo magnético y es el ejemplo que se utiliza para explicar el
funcionamiento de la rectificación del voltaje de salida.
17
“Lo que se hace es adicionar al extremo de la espira dos segmentos conductores
semicirculares y se sitúan dos contactos fijos en un ángulo tal que en el instante cuando el
voltaje en la espira es cero, los contactos cortocircuitan los dos segmentos. De este modo
cada vez que el voltaje de la espira cambia de dirección, los contactos también cambian las
conexiones y la salida de los contactos está siempre construida de la misma manera.” [13]
Al proceso de cambio de conexión descrito anteriormente se le denomina conmutación. A
los segmentos semicirculares rotantes a los cuales se hace referencia se les llama segmentos
de conmutación y los contactos fijos se llaman escobillas. En la figura 3.2 se puede
observar los elementos que se mencionan anteriormente una vez ubicados sobre la espira y
en la figura 3.3 se puede observar el voltaje en la salida de un generador DC después del
proceso de conmutación.
Figura 3.2 Máquina DC con colector y escobillas [ ]13
18
Figura 3.3 Gráfica del voltaje de salida [ ]13
El problema con las escobillas es que debido a que no son un acople eléctrico sino uno
mecánico éstas disminuyen considerablemente la eficiencia de las máquinas DC además del
hecho de que debido a que rozan constantemente con la superficie del colector, están
sujetas a mucho desgaste. Las pérdidas a través de las escobillas se pueden cuantificar de la
siguiente manera:
“Las pérdidas por caída es las escobillas corresponden a la potencia perdida a través del
contacto potencial en las escobillas de la máquina.” [13]
La ecuación para evaluar dichas pérdidas viene dada por:
19
ABDBD IVP ⋅= (3.4-1)
Donde:
PBD= pérdidas por caída en las escobillas
VBD= caída de voltaje en la escobilla
IA= corriente en el inducido
Como el voltaje a través de las escobillas no se mide de forma muy sencilla, es válido
considerar una caída de aproximadamente 2 V (a menos que el fabricante indique lo
contrario) para el cálculo de pérdidas.
En lo que respecta a las MCH se prefiere los motores DC de magneto permanente (PMDC)
debido a que no requieren un circuito de campo externo, lo que trae la ventaja de que no
cuentan con las pérdidas en el cobre debidas a dicho circuito a parte de que esto reduce su
tamaño considerablemente.
La única desventaja es que sus imanes permanentes no pueden producir una densidad de
flujo tan alta como si lo hacen las máquinas que poseen circuito de campo, razón por la cual
su rango de aplicación es para potencias bajas, normalmente entre 1 y 5 kW.
20
3.4.2 Control de voltaje [ ]13
Debido a que su salida es un voltaje DC en el caso de los generadores DC se puede obviar
el control de la frecuencia, sin embargo se debe tomar en consideración la forma en que se
regula su voltaje de salida. La ecuación que modela el voltaje generado por estas máquinas
viene dada por:
ω⋅Φ⋅= kEA (3.4-2)
Donde:
EA= voltaje generado
k= constante de construcción de la máquina
�= velocidad angular
�= flujo magnético
Entonces la relación anterior establece dos posibles métodos para el control de voltaje. El
primero sería a través del flujo magnético, esto se logra mediante cambios en la corriente de
campo de la máquina. En el caso de los PMDC esta técnica no es válida debido a que sus
imanes permanentes generan un flujo constante. Entonces la variable por controlar en los
PMDC viene siendo su velocidad de rotación. En el caso de las MCH esto se logra
mediante un control de caudal. De esta forma si se regula adecuadamente la entrada de agua
en la turbina el generador verá una velocidad constante y por ende se generará un voltaje
21
DC de valor constante también. Otra posibilidad para el control de voltaje en estas
máquinas viene dada por la relación entre la potencia y el torque inducido. Se tiene la
siguiente ecuación que relaciona el torque inducido con la corriente de salida:
Aind Ik ⋅⋅= φτ (3.4-3)
Donde:
�ind= torque inducido
�= flujo magnético
I A= corriente de salida
k= constante de construcción
De la relación anterior se puede ver como en el caso de los PMDC el torque inducido
depende únicamente de la corriente de salida debido a que tanto k como el flujo magnético
son constantes. Si a su vez se considera las relaciones existentes entre la potencia de salida
para estas máquinas y el torque inducido y la potencia de salida y el voltaje generado:
mindconvP ωτ ⋅= (3.4-4)
aAconv IEP ⋅= (3.4-5)
22
Se puede ver como si se mantiene una carga constante, igualmente lo serán la corriente de
salida y la potencia generada. De la segunda relación se puede notar como al no variar los
parámetros mencionados anteriormente entonces el voltaje generado será a su vez
constante. Esto lleva a la conclusión de que también es viable utilizar para los PMDC el
método de control por carga.
3.4.3 Generadores Baldor del tipo PMDC [ ]35
Se analizará a continuación los generadores marca Baldor de magneto permanente que se
pueden usar en la generación a pequeña escala, estos son de corriente continua Para un
motor PMDC los voltajes de salida varían entre 40V y 180V. Entre los modelos que se
utilizan con mayor frecuencia están los de la serie CDP3XXX. En el apéndice A se pueden
observar las fichas técnicas para cada uno de los modelos de esta serie, además de sus
fotografías.
El voltaje de salida para un generador Baldor depende primero de la velocidad de rotación
del eje del rotor y secundariamente de la corriente de salida. Estos parámetros pueden ser
determinados para cualquiera de los motores Baldor.
3.5 El alternador como generador [ ]4,3
El alternador es un generador de corriente eléctrica que transforma la energía mecánica que
recibe en su eje en energía eléctrica que sirve, en el caso de un automóvil, para cargar la
23
batería y alimentar al sistema eléctrico del vehículo (sistema de alimentación del
combustible, sistema de encendido, luces, radio, etc.)
En el caso de los automóviles el alternador consiste de tres bobinas que producen un
conjunto de voltajes AC trifásicos, sin embargo se utilizan diodos de potencia para lograr
una salida rectificada que logra alimentar la batería del automóvil. También poseen un
regulador de voltaje que mantiene la magnitud del voltaje de salida dentro de un rango de
operación deseado. El esquema básico para un alternador de automóvil se muestra en la
figura 3.4, en la cual se pueden observar los tres devanados del estator y también los diodos
que rectifican el voltaje de salida.
Figura 3.4 Circuito del estator de un alternador de automóvil [ ]4
24
Para el caso de interés del proyecto, se requiere utilizar un alternador como un generador en
una MCH, por lo tanto para escoger el tamaño del alternador se debe tomar en cuenta la
carga a alimentar por el sistema. Si la demanda de energía es elevada, puede resultar
conveniente sustituir el alternador por otro de mayor potencia.
Para la selección del alternador se utilizan distintos criterios, principalmente:
• La tensión del alternador (14/28 V).
• La entrega de potencia posible en todo el margen de revoluciones.
• La corriente máxima
De acuerdo con estos datos se determinan el dimensionado eléctrico y el tamaño requerido
por el alternador.
3.5.1 Reguladores en alternadores [ ]4,3
Los primeros alternadores utilizaban relés para regular su voltaje de la salida, sin embargo
actualmente su regulación se lleva a cabo mediante reguladores electrónicos.
La gran mayoría de alternadores están construidos para generar de 12 a 14V DC en su
salida, sin embargo éstos pueden ser modificados para proporcionar casi cualquier voltaje
hasta 130V DC una vez que se logre comprender su operación.
25
“Cuando un alternador trabaja a una velocidad de eje fija, es posible cambiar el voltaje en
su salida si se logra cambiar de la intensidad del campo magnético giratorio. Se puede
cambiar ese campo magnético variando la intensidad de la corriente en el rotor. Puesto que
la resistencia de las bobinas del rotor es constante, una variación en el voltaje aplicado a
éste producirá un cambio proporcional en la corriente.” [4]
“Cuando se tiene un alternador trabajando a velocidad nominal estará suministrando su
voltaje nominal de salida (esto es por lo general 12V o 14V). Cuando se empieza a dar un
incremento en las revoluciones del eje del alternador y el voltaje de salida comienza a
sobrepasar su valor nominal, entra en operación un regulador que comienza a disminuir el
voltaje y la corriente en el rotor. De esta forma se tiene que para altas velocidades de giro,
el regulador mantiene un valor de corriente muy pequeño, de modo que el voltaje de la
salida siga siendo de 12V.” [4]
“El regulador electrónico proporciona un ajuste continuo e instantáneo de la corriente del
rotor muestreando el voltaje de la salida del alternador y comparándolo contra una
referencia estándar interna. Cuando cae la tensión en la salida, una pequeña corriente se
envía a un transistor que la amplifica y la envía a un segundo transistor que actúa como una
válvula de control de paso de altas corrientes desde la batería hacia el rotor.” [4]
Los reguladores utilizan diodos Zener para proporcionar un voltaje estable de referencia.
Mediante un divisor del voltaje (las tres resistencias C) y un diodo Zener (el cual
26
proporciona el voltaje de referencia) se logra regular el voltaje del alternador. Esto se logra
al extraer una fracción del voltaje para compararlo contra el Zener, y de esta forma el
sistema logra estabilizar el voltaje de salida al valor deseado.
Un esquema típico para un regulador de voltaje de un alternador se muestra en la figura
3.5.
Figura 3.5 Circuito típico de un regulador de voltaje para un alternador [ ]4
3.5.2 Reguladores especiales en alternadores
“Un alternador puede ser utilizado para convertir energía del viento o del agua en energía
eléctrica. En tales sistemas es práctica común cargar un banco de las baterías de
almacenaje, de modo que la energía esté disponible aun cuando el viento no esté soplando,
o los niveles del agua sean bajos.” [4]
27
Figura 3.6 Esquema de carga de baterías con un alternador como generador [ ]4
Este arreglo mostrado en la figura 3.6 permite unir cinco baterías de almacenaje (cada una
de 12V inicialmente colocadas en paralelo) de forma que cuando los contactos cambian de
posición la conexión en serie de las mismas, representan una única batería de 60V. El
arreglo se puede ampliar para un número mayor de baterías si fuese necesario.
Para niveles de potencia superiores a los de diseño se debe tomar consideraciones
especiales. Los reguladores de alto voltaje son lo más recomendable en estos casos. El
diseño básico se muestra en la figura 3.7.
En el circuito típico del regulador mostrado, las tres resistencias que se muestran del lado
izquierdo de la figura 3.7 de nuevo funcionan como un divisor de tensión que permite
tomar una porción del voltaje de salida y compararlo con un voltaje de referencia (que de
nuevo está fijado por un diodo Zener).
28
Figura 3.7 Regulador modificado para manejar potencias de hasta 3kW [ ]4
De la tierra al lado superior de la figura se tiene tres resistencias (140�, 40�, 140�) que
juntas equivalen a una impedancia de 320�. Sin embargo una de ellas (en este caso la de
40�) es un potenciómetro o resistencia variable lo que da mayor flexibilidad a este circuito
que al anterior (figura 3.5) en el cual sólo se podía tomar una muestra de voltaje que fuera
la mitad del voltaje de salida. La resistencia variable permite variar la fracción del voltaje
que se tomará para hacer la comparación contra Vref.
De forma similar al primer circuito, una señal de error en la diferencia de voltajes conlleva
a una acción del regulador (ya sea proporcionar más o menos corriente al circuito del rotor),
que permite mantener un voltaje constante en la salida. Estas acciones ocurren en la
práctica continuamente.
29
Si se cambia el ajuste del porcentaje de las resistencias del divisor del voltaje, se puede
entonces cambiar el voltaje del alternador. Considerando un caso por ejemplo en que la
muestra de voltaje tomada sea de un 20% del voltaje de salida, sucede lo siguiente:
VV
V Zsal %
= (3.5-1)
donde:
=salV Voltaje de salida del regulador
=V% Porcentaje de voltaje de salida tomado para la comparación
=ZV Voltaje en el diodo Zener o sea el voltaje de referencia
Entonces considerando un porcentaje del 20% del valor final de la salida se tiene que:
VVsal 302,0
6 ==
El divisor entonces tomará 6V (20% del voltaje de salida) y éstos se comparan con el
voltaje en el diodo por lo que no se tomará ninguna acción correctiva. Cualquier cambio a
partir de estos 30V creará un voltaje de corrección (o señal de error) que hará que los
transistores modifiquen la corriente del rotor según sea necesario para volver a obtener los
30V.
Los intervalos para los cuales el porcentaje de los divisores del voltaje funcionan más
eficientemente van desde el 40% al 60% de la salida. Para conseguir más allá de esta gama
30
es necesario cambiar el diodo Zener y quizás los valores del divisor también. Para
aplicaciones en las que se desee mayores voltajes se pueden utilizar Zener de 50V.
Considerando un porcentaje del 50% el voltaje de la salida viene dado de nuevo por la
ecuación 3.5-1:
VVsal 1005,0
50 ==
Y si se considera de nuevo el intervalo práctico 40%-60%, el alternador se podía regular
para producir un voltaje constante entre 83V y 125V.
“Los valores de resistencias utilizados para el regulador de 12V no se pueden utilizar en un
regulador de alto voltaje. Al pasar de 12V a 120V, por ejemplo, se estaría incrementando
10 veces la corriente a través de éstas lo cual probablemente las vaya a quemar. En la
práctica lo que se hace para compensar este incremento en el voltaje es aumentar el valor de
las resistencias en un factor de 100 veces el valor para el cual trabajaban a 12V. De esta
forma se protegen los componentes y la integridad del sistema.” [4]
3.5.3 Modificación para obtener corriente alterna en alternadores [ ]4
El voltaje en los terminales de un alternador de automóvil es DC, sin embargo existen
métodos para obtener voltajes AC. Esto es útil si las aplicaciones que se van a alimentar
funcionan en corriente alterna, tal es el caso de la mayoría de aparatos eléctricos caseros.
31
La principal desventaja de la producción de corriente alterna mediante un alternador es que
el voltaje generado es de frecuencias mayores que 60Hz y esto ocasionaría que los
transformadores de muchas de las aplicaciones mencionadas anteriormente se
sobrecalienten y posiblemente lleguen a quemarse. A menos que se esté dispuesto a tomar
las consecuencias implicadas, puede ser que se prefiera convertir un motor de inducción
para proporcionar la AC pura de 60Hz, como se describió anteriormente.
“La modificación que hay que realizar es sencilla consiste en brincarse la etapa de diodos
rectificadores, de esta forma con la conexión mostrada se pueden alimentar dos enchufes
con una tierra común que se obtiene de la tercer bobina, como no se modificó la etapa
rectificadora entonces es posible utilizar a su vez el sistema de carga de baterías.” [4]
El esquema de conexión se muestra en la figura 3.8.
Figura 3.8 Modificación de un alternador para obtener voltajes AC [ ]4
32
CAPÍTULO 4: Sistemas y dispositivos de control [ ]38,36,27,11
La regulación de una unidad hidrogeneradora es necesaria en un sistema de potencia
aislado para garantizar la continuidad y la calidad de los parámetros fundamentales,
frecuencia y voltaje, que deben mantenerse dentro de límites estrechos alrededor de valores
nominales establecidos. En estos sistemas de pequeña potencia, frecuentemente se
producen variaciones de caudal y de carga importantes, que afectan la velocidad de rotación
del grupo turbina-generador, ya que esta depende del equilibrio entre la potencia hidráulica
que entra a la turbina y la potencia eléctrica producida por el generador. Las variaciones de
velocidad se traducen en variaciones de la frecuencia la tensión a la salida del generador.
Por esta razón es importante la regulación automática de estos parámetros, mediante un
sistema con respuesta rápida, confiable y de bajo costo.
“Existen dos sistemas básicos para mantener los parámetros eléctricos del sistema dentro
del rango admisible de calidad. El primer sistema consiste en mantener carga constante
durante todo el tiempo de operación. De este modo, si el generador ve una carga constante,
no se producirá variación de tensión y frecuencia. Este sistema se denomina de regulación
por carga. El segundo sistema, cuando la carga que ve el generador es variable, es la turbina
la que debe suministrar una potencia variable durante la operación. La variación de la
potencia de la turbina se obtiene variando el caudal de agua que ingresa al rotor, ya que la
altura de carga es fija. Este sistema se denomina de regulación por caudal.” [36]
33
La selección del método esta ligada a las características del proyecto, como por ejemplo la
cantidad del recurso hídrico disponible. La regulación por caudal se utiliza cuando se debe
racionar el agua, y así se optimiza su uso. En cambio si no hay necesidad de racionar el
recurso, la regulación por carga es más conveniente.
El regulador es el componente que permite el control de la velocidad del generador y, por
tanto, de la frecuencia y tensión de la energía eléctrica generada. La frecuencia debe tener
una variación no mayor que ±5 %. Variaciones mayores a ésta pueden causar daños en los
artefactos eléctricos. Normalmente en los GS viene incorporado un regulador automático de
voltaje (AVR).
La regulación por carga se realiza a través de un regulador electrónico de carga (ELC), el
cual utiliza una carga balasto, formada por un conjunto de resistencias, enfriadas por agua,
que permite recibir el exceso de carga, permitiendo un suministro de energía de calidad con
voltaje y frecuencia estables en sus condiciones nominales. Así evitan las subidas y bajadas
de voltaje que puedan dañar a los artefactos o equipos de los usuarios.
4.1 La regulación de carga [ ]38,27
Cuando se utiliza este método, el generador siempre tendrá una carga constante.
34
“La regulación de carga es la solución más sencilla desde el punto de vista electrónico, pues
carece de elementos actuadores sobre el sistema. Su principio de funcionamiento se basa en
añadir o quitar cargas balasto en función de la demanda de potencia; de esta manera cuando
el generador está sometido a la máxima demanda de potencia, lo que pudiera ocurrir en el
las horas de máximo consumo (llamadas también “horas pico”), la carga balasto se hace
cero. Por el contrario, si la demanda en algún momento llega a ser cero, lo cual sería el peor
caso, entonces la carga balasto deberá consumir toda la potencia que está entregando el
generador.” [27]
Este sistema de control es muy estable, pero tiene la gran desventaja de que el conjunto
turbina-generador entrega en todo momento la máxima potencia, lo cual implica un mayor
gasto de agua. Un posible diagrama de bloques para la regulación de carga se muestra en la
figura 4.1.
Figura 4.1 Esquema de regulación por carga [ ]38
35
Se puede también instalar un banco de baterías adecuadamente dimensionado para que
absorba los excedentes de energía en momentos de poca demanda por parte de los usuarios,
y este excedente se utiliza luego en “horas pico”.
4.2 La regulación por caudal [ ]36,27
Las turbinas se diseñan para una altura y un caudal de agua predeterminados. Cualquier
variación de estos parámetros debe compensarse abriendo o cerrando los dispositivos de
control del caudal, tales como álabes directrices, válvulas o compuertas, a fin de mantener
constante, ya sea la potencia de salida a la red o el caudal que atraviesa la turbina.
En proyectos que suministran energía a una red aislada, el parámetro a controlar es la
velocidad del rodete, relacionado directamente con la frecuencia. El enfoque más
convencional, la regulación de la velocidad (frecuencia) se logra aumentando o
disminuyendo el caudal que entra a la turbina.
Para ello un sensor, mecánico o electrónico, detecta esa variación de velocidad y manda a
un servomotor que modifique la apertura de los álabes de forma que admitan más agua, y
por ende más potencia hidráulica, a fin de que la turbina pueda satisfacer el incremento de
la demanda. Del mismo modo, al disminuir la carga la turbina se acelera y el sensor envía
una señal de signo contrario para cerrar los álabes.
36
“En el caso de un generador asíncrono conectado a la red, es ésta se encarga de regular su
frecuencia por lo que no es necesario instalar un regulador de velocidad. No obstante en
determinadas circunstancias, por ejemplo cuando se abre por cualquier razón el interruptor
de conexión a la red, es necesario interrumpir el suministro de agua a la turbina, en un
tiempo suficientemente corto para evitar que se embale, pero no tan corto que de lugar a un
golpe de ariete en la tubería.” [36]
4.2.1 Reguladores de velocidad [ ]36,27
“Un regulador de velocidad consta en esencia de un sensor que detecta cualquier desviación
de la velocidad con respecto al punto de referencia y un dispositivo que amplifica la señal
transmitida por el sensor, para que ordene a un servomotor que accione los mecanismos que
controlan el paso del agua a la turbina, manteniendo constante la velocidad y por tanto la
frecuencia. En una turbina Francis, en la que se puede cortar el paso del agua cerrando los
álabes del distribuidor, los mecanismos del servomotor tienen que ser muy robustos, para
poder vencer la reacción del agua y los rozamientos mecánicos en los ejes. En una turbina
Pelton el problema es más sencillo; no sólo porque el sistema de aguja permite cerrar el
inyector con muy poco esfuerzo, sino porque además accionando el deflector se impide que
el agua llegue a las cazoletas aún sin haberse cerrado el inyector.” [36]
El servomotor, en general un cilindro hidráulico cuyo émbolo, según sea el tipo de turbina,
está conectado mecánicamente a los álabes directrices o al inyector, es alimentado por una
37
central hidráulica compuesta por un cárter, una bomba accionada por un motor eléctrico
que suministra aceite a presión al sistema, un acumulador para el aceite a presión y la
válvula de control.
Los reguladores pueden ser mecánicos, mecano-hidráulicos o electro-hidráulicos, según la
precisión y sofisticación que se desee. Los mecánicos sólo se utilizan en sistemas de baja
potencia, que actúan directamente sobre el flujo de agua. En los mecano-hidráulicos se
actúa a través de un servomotor para accionar pistones que regulan la entrada de agua.
En un regulador electro-hidráulico, un sensor electrónico, mide permanentemente la
frecuencia (y eventualmente la tensión) y transmite la señal a un “punto suma” en el que se
la compara con el valor de referencia. Si la señal transmitida por el sensor difiere de la de
referencia, se emite una señal de error (positiva o negativa), que una vez amplificada es
enviada al servomotor para que actúe en el sentido deseado. Todos estos sistemas de
regulación actúan por acción y reacción, corrigiendo en uno u otro sentido la posición del
distribuidor.
Las características a las que deben adecuarse estos reguladores, actuando en un pequeño
sistema aislado de microgeneración hidroeléctrica, son las siguientes:
1. La velocidad del conjunto turbina-generador puede variar muy rápidamente, ante
alteraciones de la carga, lo que implica disponer de un regulador de frecuencia de elevada
38
capacidad de respuesta, pero esto se contrapone con una respuesta lenta de la velocidad a la
apertura o cierre del dispositivo de regulación de caudal, condición que provoca
inestabilidad del sistema.
2. La inclusión de una carga pequeña en el sistema significa un gran porcentaje de variación
de la carga total, y por lo tanto una variación importante de frecuencia, por lo que el
regulador tendrá que actuar constantemente.
3. El sistema regulador debe contar con controles fáciles de utilizar, debido a que la persona
encargada de su operación puede ser no especializada.
4.2.2 Funcionamiento de un sistema de regulación de velocidad [ ]36,27
El funcionamiento general para la regulación de la velocidad en una MCH, partiendo del
sistema en reposo, es el siguiente:
1. Si hay suficiente agua en el embalse, el detector de fin de carrera de cierre se encuentra
accionado. Cuando el usuario dé la orden de marcha, la unidad de control ordena a un
pequeño motor CC la apertura del dispositivo de regulación de caudal, a través del
regulador de frecuencia.
2. El álabe se abre hasta que la tensión generada entra en el rango propio de regulación,
momento en el que el motor de DC pasa a ser regulador de frecuencia en forma lineal.
39
3. El sistema permanece en ese estado, autorregulándose hasta que alguna de las señales de
entrada a la unidad cambie de estado. Este cambio de estado puede ocurrir por los
siguientes motivos:
a. Orden del usuario de parada
b. Falta de agua en el embalse
c. Falta de tensión generada
d. Sobrevelocidad del grupo
e. Indicación de fin de carrera
Cualquiera de las primeras tres situaciones hacen que la unidad central ordene al motor
cerrar el dispositivo de regulación de caudal y el sistema queda a la espera de una orden de
puesta en marcha de parte del usuario, siempre que las condiciones del arranque sean las
adecuadas. La cuarta situación puede ser programada para que suceda lo de las tres
primeras o que ordene cerrar hasta que se llegue al margen de regulación.
La quinta situación puede producir dos acciones:
• La primera, que el fin de la carrera sea el cierre, por lo cual el sistema queda en
espera.
• La segunda, que el fin de la carrera sea el de máxima apertura, lo que desencadena
el proceso de parada.
40
Figura 4.2 Diagrama de bloques de una MCH junto con su sistema de control [ ]36
4.3 Control automático
La mayoría de las pequeñas centrales trabajan sin personal permanente y funcionan
mediante un sistema automático de control. Como no hay dos centrales iguales, resulta casi
imposible definir su configuración óptima. No obstante, existen requisitos de aplicación
general:
a) Todo sistema debe contar con dispositivos de control y medida de accionamiento manual
para el arranque, totalmente independientes del control automático.
41
b) El sistema debe incluir los dispositivos necesarios para poder detectar el funcionamiento
defectuoso de cualquier componente importante, y poder desconectar inmediatamente la
central de la red.
c) Tiene que haber un sistema de telemetría2 que recoja, en permanencia, los datos
esenciales para el funcionamiento de la planta poniéndolos al alcance del operador para que
este pueda tomar las decisiones convenientes. Esos datos deberán ser almacenados en una
base de datos, para su posterior evaluación.
d) Debe incluir un sistema de control inteligente para que la central pueda funcionar sin
personal.
e) Debe ser posible acceder al sistema de control desde un punto alejado de la central para
poder anular cualquier decisión tomada por el sistema inteligente.
f) El sistema debe poder comunicar con las centrales situadas aguas arriba y aguas abajo, si
es que existen, para optimizar la operación del conjunto.
Los sistemas de control automáticos contribuyen a aumentar la confiabilidad de la central, y
a hacer trabajar a la MCH con una mayor eficiencia, produciendo así más kWh, con el
mismo volumen de agua.
2 Literalmente significa “medición a distancia” es una tecnología que consiste en la medición de ciertos parámetros (velocidad, temperatura, aceleración, presión, etc.)
42
CAPÍTULO 5: Equipos de protección eléctrica [ ]14,11
Las MCH deben contar con cierto tipo de protecciones que ayuden a resguardar la
integridad de los aparatos conectados al sistema. Usualmente se cuenta con tres
protecciones que son básicas:
1. Alta frecuencia: Un exceso en la frecuencia del sistema puede ser dañino para
aparatos que son accionados con motores, ya que éstos consumen más potencia
entre mayor sea su velocidad de giro. Este tipo de fallas suele ocurrir si falla la
conmutación de las cargas balasto o si la turbina se desboca.
2. Sobrevoltaje: Esta es una condición que puede dañar la mayoría de aparatos, se
puede dar si falla el sistema de conmutación de cargas o también se puede deber a
una falla en el AVR del generador.
3. Bajo voltaje: Ante una condición de bajo voltaje, se puede dar que los motores no
arranquen o que se sobrecalienten tratando de arrancar.
Sistema conectado a la red
Las leyes de todos los países definen ciertas normas y límites que las compañías
suministradoras de electricidad deben seguir para asegurar al cliente una confiabilidad y
seguridad en el servicio. Así mismo el productor independiente debe cumplir con las
43
mismas obligaciones si desea conectar su central a le red. Para ello se instalan dispositivos,
que monitorizan el funcionamiento del equipo, protegen al generador, lo conectan a la red o
lo aíslan de la misma en caso de avería.
“La monitorización se lleva a cabo mediante aparatos más o menos sofisticados para medir
la tensión, intensidad y frecuencia en cada una de las tres fases, la energía producida por el
generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de agua en la cámara de carga.
La tensión e intensidad de corriente se monitorizan mediante transformadores de potencial
(PT) y de corriente (CT), para reducir su valor, generalmente muy elevado, a niveles más
manejables.” [11]
Para que los diferentes sistemas de protección puedan cumplir su misión, se necesita un
interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magnético o de vacío, capaz de aislar el
generador de la red, aún cuando esté trabajando a plena carga.
5.1 Protección del generador
El generador es uno de los componentes vitales y de mayor costo en una MCH. Es por esta
razón que es importante obtener la información necesaria acerca de las características
eléctricas y mecánicas del generador que se va a utilizar. La escogencia de un generador
debe iniciar siempre con una colecta y revisión de catálogos de diferentes proveedores de
44
manera que se pueda establecer un marco de referencia acerca de cual se acoge mejor a las
necesidades del proyecto. Si esto no es posible (por ejemplo si el generador es de segunda
mano y no viene con un catálogo) entonces al menos se debe contar con la información
sobre el mantenimiento y los datos técnicos que usualmente vienen en la placa del mismo.
Debido a la gran gama de generadores que hay en el mercado se debe cumplir con ciertos
requerimientos para poder acoplarlo al sistema de control y a la turbina de manera segura.
Para un sistema de control tipo ELC se debe utilizar un generador sincrónico, mientras que
para un IGC se utiliza uno asíncrono o de inducción.
“El generador debe ser capaz de soportar la velocidad de desboque de la turbina. Por
ejemplo para una turbina de flujo cruzado el generador debe estar dimensionado para
soportar un 170% de su velocidad nominal.” [38]
Los rodamientos o roles del generador deben poder soportar las fuerzas de transmisión que
son ejercidas en el acople con la turbina.
Para lograr una larga expectativa de vida para el generador, la potencia de éste debe ser la
suficiente como para soportar la totalidad de la carga de los usuarios conectados y también
para soportar la totalidad de las cargas balasto del sistema ELC (o IGC).
45
En lo que respecta a la protección del generador contra sobre corrientes existen diversos
métodos que se utilizan para evitar daños al equipo y proteger a los usuarios contra a estas
situaciones:
Electrodos de puesta a tierra: se utilizan como protección contra fenómenos atmosféricos,
todas las carcazas de los equipos deben ser llevadas a tierra de manera que no queden
elementos energizados que puedan causar lesiones a los usuarios. También en sistemas
trifásicos es necesario el aterrizamiento del cable neutro.
Disyuntor de fuga de corriente a tierra: Es un dispositivo que desconecta las cargas de los
usuarios en caso que se detecte una fuga de corriente hacia tierra. Estos dispositivos tienen
corrientes de disparo tan pequeñas como 30mA, esto con el fin de brindar protección ante
un contacto accidental con un cable energizado. También se activa ante una indicación de
que se ha conectado al sistema un equipo con un aislamiento muy pobre.
5.2 Protección tierra-estator y protecciones mecánicas
“Son sistemas de protección para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar
antes de que se quemen, se utilizan relés diferenciales. Existen también relés que actúan
sobre el interruptor principal cuando la temperatura del generador o del transformador de
46
salida sobrepasan los límites aceptables, o en el caso de tensiones superiores o inferiores a
la normal.” [11]
Entre las protecciones mecánicas la más importante es contra el embalamiento de la
turbina, ya que ante una situación como esta se pone en peligro también la integridad del
generador debido al acople mecánico que existe entre ellos. Existe también una protección
contra sobretemperatura en el eje y los cojinetes la cual ayuda a mantenerlos en una
temperatura adecuada lo que reduce el desgaste de los mismos y alarga su vida útil.
También sensores que detectan el nivel y circulación del circuito de refrigeración (si es que
existe); y el nivel y circulación del aceite a presión; también en el caso de la regulación por
caudal se cuenta con sensores de nivel mínimo de agua en la cámara de carga.
47
CAPÍTULO 6: Discusión y Conclusiones
6.1 Generadores
Se clasificó los generadores dependiendo de la potencia deseada a su vez del tipo de
regulación que se vaya a implementar, los resultados de dicha clasificación se muestran en
la tabla 6.1. En forma general se pudo llegar a conclusiones concretas sobre cada tipo de
máquina, éstas se discutirán a continuación.
Con respecto a los motores DC de magneto permanente con escobillas, su expectativa de
vida es sumamente corta ya que no están fabricados para este tipo de aplicaciones en que
trabajan continuamente durante todo el día. Se debe dar mantenimiento a su sistema de
escobillas periódicamente (se debe recordar que estos sistemas por lo general se ubican en
zonas aisladas por lo que el exceso de mantenimiento es un gran inconveniente), por lo que
un proyecto exitoso es aquel en el que se logra una mínima o nula manutención de los
equipos instalados. Por lo general para sistemas muy pequeños la eficiencia es de
aproximadamente 50 % de la energía total.
Además se tienen motores DC sin escobillas como generadores, estos son motores que
tienen magnetos permanentes (por lo que no requieren potencia para el circuito de campo).
Lo usual para proyectos con este tipo de motores es controlar la potencia con ELC. Estos
motores o generadores, dependiendo en la potencia de salida y del plan del sistema, generan
50 ó 60Hz, y aún más altas frecuencias dependiendo del número de polos. Estos motores
48
tienen eficiencias mejores que los mencionados anteriormente (se pueden obtener con
eficiencias entre 80% y 90%) y se debe al hecho, como se mencionó anteriormente, de que
no consumen potencia para su circuito de campo gracias al imán permanente.
Los alternadores de automóviles fueron otros de los generadores que se analizaron, y se
llegó a la conclusión de que estos no son muy utilizados en proyectos micro hidroeléctricos,
debido a que por lo general tienen una baja eficiencia ya que necesitan hasta un 12 % de la
potencia de salida para proveer la energía de campo. Por ejemplo para sistemas
produciendo potencia por debajo de los 500 W, al menos unos 80 W de ésta se utilizan para
la energía de campo del alternador, disminuyendo así la potencia efectiva generada. Esta
baja eficiencia (50 - 55%) se debe también a que los alternadores están desarrollados para
girar a altas velocidades (entre 3000 y 4000 rpm), las cuales son difíciles de alcanzar con el
potencial hidráulico. También presentan el problema de que poseen escobillas que
necesitan ser reemplazadas aproximadamente cada seis meses.
Luego se tienen los generadores de inducción (también llamado generador asíncrono). Estos
generadores representan una manera fácil de producir potencia debido a que existe mucha
literatura e información acerca de su funcionamiento y características, sin embargo se
requiere de cierta experiencia para comprender como trabajan, sobre todo a la hora de
calcular el banco de capacitares que estos generadores requieren para funcionar cuando se
encuentran aislados de la red.
49
También se pudo analizar el caso de un motor de inducción que se pone a trabajar como
generador. Se sabe que un motor puede producir potencia si se le aplica un torque que hace
que el motor tenga una velocidad (rpm) mayor que su velocidad nominal (o sea la
velocidad de trabajo para la cual fue diseñado) más las revoluciones correspondientes al
deslizamiento del motor. Por ejemplo considérese un motor de inducción de 4 polos, cuya
velocidad sería de 1800 rpm a 60 HZ, ahora considerando un deslizamiento s = 0,02 (que es
el valor de deslizamiento para la zona de operación del motor generalmente) este motor
operaria a unos 1750 rpm, para ponerlo a trabajar como generador se le debe aplicar un
torque que ocasione que la velocidad del motor llega a los rpm originales más los rpm del
deslizamiento, esto es 1800 + 50= 1850 rpm, en este momento si el motor estaba
conectado a una red, va comenzar a suplir energía a la fuente de energía eléctrica que le fue
aplicada.
La amplia disponibilidad en el mercado nacional de motores eléctricos de inducción (sobre todo
los de rotor jaula de ardilla) hace que estos equipos sean más económicos que los generadores
síncronos y de inducción. Otra ventaja del motor de inducción para su aplicación en mini
hidroeléctricas es que esta máquina opera dentro de un rango de deslizamiento, por lo cual el
control de la velocidad de su eje no precisa tener la exactitud como sí lo requiere el generador
síncrono.
También en lo que se refiere a los generadores como tales (ya sean sincrónicos o
asincrónicos), lo importante es primero referirse a los manuales y a los datos de fabricante
50
para verificar valores nominales como la eficiencia y la potencia. En este tipo de equipos es
el factor económico el que entra en juego ya que son sistemas un poco más caros, sin
embargo no requieren de mucho mantenimiento y tienen una buena expectativa de vida.
Una diferencia importante entre un generador asíncrono y uno síncrono es que este último es
capaz de funcionar sin conexión a la red de energía eléctrica sin tener que realizar modificación
alguna a sus conexiones originales. Un generador asíncrono por lo contrario, precisa que el
estator esté magnetizado por la red eléctrica antes de funcionar. Sin embargo, se puede hacer
funcionar un generador asíncrono de forma autónoma si se le provee de un banco de
condensadores que le suministren la corriente magnetizante necesaria. También es preciso que
exista algo de magnetismo remanente en el hierro del rotor (en caso contrario se requerirá una
batería para ocasionar un flujo remanente).
En conclusión la escogencia de los generadores para una MCH lo define por lo general la
financiación, la potencia que se desee generar, el uso que se le dará a la potencia generada
(para especificar el nivel de voltaje necesario así como la frecuencia deseada) y el criterio
del diseñador de acuerdo con su experiencia de campo.
Durante el desarrollo de este proyecto se realizó una visita a la empresa Interdinámica,
ubicada en San José de Costa Rica, específicamente en Guadalupe de Goicoechea. Durante
esta visita se entrevistó a su gerente, el ingeniero Luis Coronado, cuya empresa se dedica al
desarrollo de proyectos de energía renovable. Mediante esta entrevista se pudo concluir
51
cuales son las preferencias comerciales en equipo para proyectos hidroeléctricos de
pequeña escala. Esta empresa originalmente utilizaba generadores de inducción en sus
proyectos, pero actualmente están utilizando también de forma exitosa motores como
generadores. Entre estos motores emplean los DC sin escobillas para producir de 200 a
250W para la carga de baterías (también se utilizan con rectificadores y un sistema
regulador de carga). Los motores más grandes pueden ser del orden de los kilowatts, en
estos casos el voltaje de salida es definido por el sistema (si se requiere para alimentar
cargas a 120 ó 240V o bien cargas trifásicas) y el tipo de generador utilizado. Interdinámica
no utiliza los alternadores como generadores debido a malas experiencias con estos por su
baja eficiencia.
En síntesis, se pueden mencionar los distintos factores de vital importancia en la selección
de un generador para una MCH de acuerdo con la información analizada a lo largo del
presente trabajo, y si bien es cierto que la mejor forma de aprender sobre esta selección es
mediante la práctica hay diferentes consideraciones que se pueden analizar:
A. Aspectos económicos: entre mayor sea la capacidad del sistema se necesitará un
generador más grande lo cual implica mayores costos.
B. Expectativa de vida: un generador que se dimensiona de forma adecuada y que tiene
las debidas protecciones tendrá una mayor expectativa de vida que uno que trabaja
constantemente en sobrecarga o que no esta debidamente protegido.
52
C. Eficiencia: un generador que se encuentra operando en condiciones de corriente
nominal tiene usualmente muchas pérdidas en el cobre de los devanados lo que
produce que su eficiencia esté muy por debajo de la deseada. También un generador
que está operando en condiciones muy por debajo de su capacidad nominal, tiene
una eficiencia muy pobre dado que la potencia necesaria para suplir su corriente de
campo y las pérdidas por magnetización en el estator se vuelven muy altas.
D. Calidad del generador: un generador de alta calidad posee un alto factor de servicio
que le permite que su expectativa de vida no se vea afectada aún cuando trabaje en
condiciones de leve sobrecarga.
Además de los mencionados anteriormente existen factores que se refieren a la forma en la
que será utilizado el generador.
1. Se debe prever que la demanda energética en la MCH pueda incrementarse en un
futuro, por lo que es conveniente que el generador esté sobredimensionado de
manera que, permita la expansión del sistema en un futuro.
2. En un caso de sobrecarga el generador debe estar protegido, puesto que la corriente
sobrepasará los valores de diseño.
53
3. El factor de potencia de las cargas que se conectarán al sistema puede ser muy
pobre o puede desconocerse del todo.
4. Cuando se utiliza el control ELC el generador estará operando en condiciones de
plena carga sin importar la cantidad de cargas de usuarios que estén conectadas.
5. Un ELC que funciona mediante derivación por ángulo implica una carga extra al
generador, por lo que en estas situaciones el generador deberá estar
sobredimensionado.
6. Las protecciones contra sobrecorriente pueden no proteger al generador ante una
situación de sobrecarga, por esta razón en proyectos que utilicen generadores (GA o
GS) se debe contar con ambas protecciones.
7. La expectativa de vida del generador expresada como el número de horas en
operación puede ser muy alta. El número de horas al día que opera una MCH puede
variar entre unas pocas horas hasta las 24 horas diarias, por lo que
aproximadamente, un generador debería perdurar unos 10 años (tomado de la visita
a la empresa Interdinámica) sin necesidad de reparaciones mayores para que sea
económicamente rentable.
54
8. Los costos asociados a una falla en un generador (ya sea debido a un mal diseño o a
la falta de protecciones contra situaciones adversas) son relativamente altos:
• Los repuestos para un generador son usualmente caros y a veces pueden ser
difíciles de conseguir.
• Por lo general las MCH se encuentran en zonas rurales o alejadas por lo que
puede salir costoso la atención de un técnico que tenga que viajar hasta la zona
para una inspección.
• Cada vez que un generador sale de operación esto representa costos debido a un
servicio que se deja de brindar y procesos de producción que se pueden ver
afectados.
6.2 Sistemas de Control
El sistema de regulación de frecuencia o de voltaje que se desee utilizar en una MCH es
muy dependiente del sistema como conjunto y de la financiación disponible. Los ELC con
control por medio de cargas balasto, representan la solución más adecuada cuando hay
suficiente agua sin restricciones en el uso del volumen, esto quiere decir que la fuente de
agua es constante y no hay que regularla por medio de una represa o embalse.
Por otro lado, cuando hay volumen restringido del recurso hídrico y hay que minimizar el
gasto del agua, es mejor tener controladores de caudal para controlar tanto la potencia
generada como los parámetros más esenciales de la misma (voltaje y frecuencia) y así
55
poder extender el tiempo de generación de energía, por ejemplo con una fuente de agua se
llena una pequeña represa durante el día y se usa para generar 3 ó 4 horas durante la noche.
Este tipo de proyectos tienen por lo general un regulador de volumen por medio de una
válvula de aguja. Algunos de esos reguladores pueden tener un ELC además de la sección
de control de aguja, el ELC se utilizaría para cambios súbitos mayores.
La transición en los sistemas de control (o sea a que potencia se decide que ya es mejor
pasar de un ELC a una regulación por caudal), depende muchas veces en el modo como un
diseñador trabaja y de su experiencia obtenida con los años y la práctica, es por esto que
para poder realizar la división según la potencia instalada que se muestra en la tabla 6.1 fue
necesario analizar distintos casos de MCH ya existentes así como consultar con personas y
empresas que tuvieran experiencia en el tema.
En la tabla 6.1 se muestra que método de regulación es apropiado en una MCH según la
potencia entregada y el tipo de generador utilizado.
Finalmente con todos los datos y fuentes consultadas, se realizó una aplicación en formato
digital que se adjunta con esta monografía, en ella se encuentran diferentes enlaces a
páginas web relacionadas con el tema y que fueron utilizadas en el desarrollo de este
proyecto. En el apéndice D se puede observar la interfaz de este proyecto digital.
56
Costa Rica es un país donde prácticamente todo su territorio pertenece al Sistema Nacional
Interconectado, por lo que vale la pena resaltar que estos sistemas aislados que se
estudiaron en este proyecto, podría en un futuro conectarse a la red, situación que
seguramente sucederá con estas MCH.
57
Tabla 6.1 Resumen de datos de los distintos generadores en MCH
Generador Rango de Potencias
Sistema de Regulación
Eficiencia3 Aplicaciones Comentario
5kW – 100kW
Regulación por carga
70% a 80%
Se pueden utilizar conectados a la red. Iluminación, electrodomésticos y motores pequeños monofásicos y trifásicos.
Generador Sincrónico
100kW – 1MW
Regulación por caudal
80% a 90%
Iluminación, electrodomésticos y motores industriales monofásicos y trifásicos.
Existen con imán permanente o con un circuito de campo para generar la iF.
1kW - 100kW
Regulación por carga
80 a 90%
Generador Asincrónico
o de Inducción
100kW-200kW
Regulación por caudal
80 a 90%
Se puede utilizar conectado a la red (para más de 5kW) Iluminación, electrodomésticos y motores pequeños monofásicos y trifásicos.
Eficiencia es un 2% a 4% menor que los GS debido al deslizamiento. Si se interconecta con la red no requiere sistema de regulación. Después de esta potencia tope es más barato utilizar generadores sincrónicos.
3 Hay que tomar en cuenta que la eficiencia de una máquina no es igual para todas, depende del fabricante y de la calidad de la máquina.
58
Tabla 6.1 Resumen de datos de los distintos generadores en MCH (continuación)
Generador Rango de Potencias
Sistema de Regulación
Eficiencia Aplicaciones Comentario
Motor de inducción
como generador
2kW – 15kW
Regulación por carga Si se conecta a la red no requiere regulación
77% a 95%
Se puede conectar a la red (más de 5kW) Iluminación, electrodomésticos y motores pequeños monofásicos.
Tienen buena eficiencia (siempre y cuando operen cercanos a las condiciones nominales, requieren de poco mantenimiento. Son fáciles de conseguir.
Alternador con bobinas
200W – 1kW
Regulador de voltaje
50 a 70%
Carga de baterías
Requieren mucho mantenimiento
Alternador con
magnetos permanentes
200W – 2kW
Regulador de voltaje
80 a 97% (con modificaciones
para microhidro)
Carga de baterías
Son más duraderos, más eficientes y requieren menos mantenimiento que los alternadores con arrollados
Motor como generador
PMDC con escobillas
1kW – 5kW
Regulación por carga
60 a 75%
Carga de baterías
Tienen la desventaja de requerir mucho mantenimiento, su aplicación es para la carga de baterías principalmente
Motor como generador PMDC sin escobillas
1kW – 10kW
Regulación por carga
80 a 90%
Carga de baterías
No requieren de tanto mantenimiento, su eficiencia es mejor que la de los PMDC
59
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67
APÉNDICES
APÉNDICE A: Datos Técnicos de Motores de Magneto Permanente Baldor
Tabla A.1 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3320 [ ]35 Voltaje (VDC) 90 Potencia (W) 246
Velocidad (rpm) 1750 Precio ($US) 207
Tabla A.2 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3436 [ ]35 Voltaje (VDC) 180 Potencia (W) 560
Velocidad (rpm) 1750 Precio ($US) 312
Tabla A.3 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3455 [ ]35 Voltaje (VDC) 180 Potencia (W) 746
Velocidad (rpm) 1750 Precio ($US) 388
Tabla A.4 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3604 [ ]35 Voltaje (VDC) 180 Potencia (W) 2238
Velocidad (rpm) 1750 Precio ($US) 1100
68
Tabla A.5 Datos Técnicos del PMDC Baldor CDP3605 [ ]35 Voltaje (VDC) 180 Potencia (W) 3730
Velocidad (rpm) 1750 Precio ($US) 1865
69
APÉNDICE B: Alternadores Alternadores BOSCH [ ]9,3
El fabricante de alternadores BOSCH usa como distintivo de identificación de los tamaños
constructivos de alternadores "las letras". El orden sucesivo alfabético indica el tamaño
ascendente del alternador.
Entre sus alternadores se encuentran: alternadores con rotor guía sin anillos colectores, de
polos individuales con anillos colectores y de tipo monobloc. En la tabla B.1 se muestran
los distintos modelos con su respectiva tensión y revoluciones.
Tabla B.1 Tensión y Corriente de alternadores compactos serie B [ ]3
Corriente nominal (A) Denominación Tensión
nominal 1800 rpm 6000 rpm
GCB1
GCB2
KCB1
KCB2
NCB1
NCB2
14 V 22
37
50
60
70
80
55
70
90
105
120
150
KCB1
NCB1
NCB2
28 V 25
35
40
55
80
100
70
Tabla B.2 Clasificación de Alternadores de Bosch [ ]9
Versión Aplicación Tipo nº de polos
Compacto Turismos y motocicletas GC KC NC
Turismos, vehículos industriales, tractores, motocicletas
G1
Turismos, vehículos industriales, tractores K1, N1
12
Autobuses T1 16
Monobloc
Vehículos industriales. Largos recorridos, maqu. de construcción
N3 12
Vehículos especiales T3 14 Estándar Vehículos especiales, barcos U2 4, 6
Tabla B.3 Datos Técnicos de Alternadores Bosch [ ]9
RPM Tamaño de Boquilla modelo Modelo
7.9 9.5 11.1 12.7 15.9 19 22.2 90 150 Caída Neta Mm Mm Mm mm mm Mm mm
presión Model 90 Model 150
metros kg/cm2
Litros por min.
litros por min.
Litros por min.
litros por min.
litros por min.
litros por min.
litros por min.
9.2 .90 39.8 57.2 78.1 102.0 159.2 229.3 312.3 1303 752 12.2 1.19 45.9 66.3 90.2 117.9 183.8 264.9 360.4 1497 865 15.2 1.50 51.5 73.9 100.8 131.5 205.8 296.0 401.7 1680 970 18.3 1.79 56.1 81.1 110.3 144.0 225.1 324.4 443.4 1829 1056 24.4 2.38 64.8 93.6 127.3 166.4 260.0 374.4 511.6 2115 1221 30.5 2.98 72.8 104.6 142.5 186.1 290.7 420.7 568.5 2366 1366 36.6 3.58 79.6 114.8 156.1 203.9 318.7 458.5 625.4 2595 1498 45.8 4.48 81.9 128.1 174.3 227.8 355.9 511.6 697.4 2903 1676 61 5.97 102.7 148.2 201.6 263.0 413.1 591.2 807.3 3349 1934
76.2 7.44 114.8 165.2 225.1 294.1 458.6 663.2 902.0 3738 2158 91.5 8.96 125.8 181.2 246.7 322.5 504.1 723.9 989.2 4103 2369
71
Alternadores “Water Motor” [ ]51
“Water Motor” es una compañía se desempeña en el campo de la generación micro
hidroeléctrica, principalmente en comunidades rurales de países con escasos recursos
económicos.
Su diseño se basa en la simplicidad de tal forma que la instalación, así como cualquier
reparación o mantenimiento pueda ser realizado por el usuario de forma que estos aspectos
no representen costos adicionales.
El caudal necesario para poner el generador en funcionamiento puede ser tomado de un
pequeño canal siempre y cuando tenga la velocidad adecuada. El agua luego entra por un
canal de plástico que viene incorporado en la unidad. Un caudal de 400 lit/min produce
936W de potencia a una velocidad de giro del generador de 1850 rpm.
El único control que tiene este sistema es un interruptor de encendido y apagado, el cual
controla la unidad generadora, de manera que si se utilizara para alimentar directamente un
motor o cualquier otra aplicación de potencia se podrían acoplar y utilizar este interruptor
como el principal de control. Otros aspectos positivos que tiene son su alta eficiencia, que
ronda el 80-85%, y su tamaño compacto y sencillo.
72
Existen dos modelos “Water Motor”, el modelo 90 y el 150. El 90 tiene una turbina del tipo
Turgo de 90mm de diámetro de eje y puede utilizar hasta 4 entradas de agua a presión
(boquillas) de hasta 12,7mm de diámetro. Debido a que sus dimensiones son menores que
las del 150, este modelo va a girar a una mayor velocidad a un mismo valor de presión de
agua.
Las tablas de flujo de boquilla del apéndice B muestran cuanto caudal atraviesa una de
éstas para varios valores de presión del agua así como la potencia máxima que puede ser
generada según lo mencionado anteriormente. Cuando no esta bajo carga la velocidad del
alternador puede llegar a ser de casi el doble de la velocidad con carga. A continuación se
muestra una tabla con las velocidades de eje del generador dependiendo de la caída y
presión del agua así como el diámetro de la boquilla. Para calcular la potencia generada se
utiliza la siguiente fórmula:
η×××= 81.9hQP (C-1)
donde:
Q: es el caudal de agua en litros por segundo.
h: es la caída neta de agua en metros.
�: es la eficiencia en porcentaje (entre 0,8 y 0,85).
73
El modelo 150 tiene una turbina de 150 mm de diámetro de eje y utiliza 4 boquillas de 22,2
mm de diámetro, esto representa tres veces el volumen de agua de una boquilla de 12,7 mm
con lo que se genera una potencia 3 veces mayor a una misma presión de entrada de agua.
Generalmente el modelo 150 es preferible cuando se va alimentar aplicaciones que
requieren de altos torques y corrientes de arranque tal y como sierras de mesa para madera
o compresores de aire o para refrigeración. En la siguiente figura se puede observar el
diseño general de los Water Motor. En ella se puede ver bien la pequeña turbina así como
las boquillas por las cuales ingresa el agua a presión.
Figura B.1 Esquema de construcción de un “Water Motor” [ ]51
Tabla B.4 Ficha Técnica para alternadores “Water Motor” [ ]51
Modelo Water Motor 90 Water Motor 150 Precio $480 $695 Tamaño 16x16x32 cm 24x24x34 cm Generador Alternador Alternador Turbina Turgo 90 mm Turgo 150 mm
74
Compañía Power Pal [ ]40
PowerPal low head: modelos MHG-200LH, MHG-500LH, MHG-1000LH
Generador: Alternador de magneto permanente, monofásico
Frecuencia: 60Hz
Sistema de control: ELC (control por carga)
Voltaje de salida: 110V o 220V
Tabla B.5 Fichas técnicas para modelos MHG [ ]40
Modelo MHG-200LH MHG-500LH MHG-1000LH Caída de agua (m) 1,5 1,5 1,5
Caudal (l/s) 35 70 150 Potencia de salida
(W) 200 500 1000
PowerPal modelos MHG-T1, MHG-T2
Generador: Alternador de magneto permanente, monofásico
Frecuencia: 60Hz
Sistema de control: ELC (control por carga)
Voltaje de salida: 110V o 220V
Tabla B.6 Ficha técnica para modelo MHG-T1 [ ]40
Caída de agua (m)
8 9 10 11
Caudal (l/s) 21 22 23 23 Potencia de salida (W)
660 750 900 1000
75
Tabla B.7 Ficha técnica para modelo MHG-T2 [ ]40
Caída de agua (m)
12 14 16 17
Caudal (l/s) 26 28 30 30 Potencia de salida (kW)
1,22 1,54 1,88 2,0
PowerPal modelos MHG-T8, MHG-T16
Generador: Alternador de magneto permanente, monofásico
Frecuencia: 60Hz
Sistema de control: ELC (control por carga) y control de caudal
Voltaje de salida: 110V o 220V
Tabla B.8 Ficha técnica para modelo MGH-T8 [ ]40
Caída de agua (m)
24 26 28 30 32 34
Caudal (l/s) 33,3 34,6 36 37,2 38,4 39,6 Potencia de salida (kW)
4,7 5,3 5,9 6,6 7,2 8,0
Tabla B.9 Ficha técnica para modelo MGH-T16 [ ]40
Caída de agua (m)
24 26 28 30 32 34
Caudal (l/s) 66,6 69,2 72,0 79,4 76,8 79,2 Potencia de salida (kW)
9,4 10,6 11,8 13,2 14,4 16
76
Generador Nomad™ [ ]25
Este micro-hidro generador, de tamaño muy pequeño y de forma cilíndrica, produce entre
125W y 2kW. Posee un rotor especial de magneto permanente, que junto a la turbina hace
girar al rotor mediante la presión del agua aplicada en la cámara central, y así se induce la
electricidad en los bobinados que se encuentran alrededor de la cámara central.
����
Este generador requiere una caída y caudal de agua razonables (al menos de 20m y
0,50lit/seg respectivamente) y la presión de agua que se requiere es diferente para cada
modelo (desde 206 hasta 1379kPa). Los voltajes de salida pueden ser de 12V y 24V en DC
y 240V en AC u otra cualquier tensión de transmisión y la subsiguiente transformación y
rectificación.
Idealmente se debe conectar un regulador que desvíe la corriente del banco de baterías a
una carga de vertedero, esta carga resistiva se encarga de disipar el exceso de energía
generado por el sistema cuando las baterías están totalmente cargadas.
En las tablas que se presentan a continuación se tienen las especificaciones de este
generador y los distintos parámetros para los diferentes diámetros del rotor tomando en
cuenta la presión dinámica del agua.
77
En la figura B.2 se muestra el diagrama del funcionamiento del miro-hidro generador
Nomad™����
Figura B.2 Sistema con Generador Nomad™ [ ]25
Tabla B.10 Datos técnicos del Nomad™ [ ]25
Rotor
(pulgadas)
Salida
(Watts)
Peso
(kg)
2 125 2,3
3 285 6,0
4 650 13,5
6 2200 20
78
Tabla B.11 Datos Técnicos del Nomad™ [ ]25
Rotor (pulgadas)
Salida
(Watts)
Salida
(kWHrs/Día)
Longitud
(mm)
Diámetro
(mm)
Entrada
(mm)
Peso
(kg) 2 125 3,0 235 110 25 2,3 3 285 6,8 250 150 32 6,0 4 650 15,6 340 200 36 13,5 6 2200 37,7 400 270 75 20
Tabla B.12 Datos del Nomad™ con Rotor de 2pulg. [ ]25
Presión
(psi)
Caudal
(lt/seg)
Caudal
(GPM)
Caída
(metros)
Caída
(pies)
Salida
(Watts)
Salida
(kWHrs/día) 30 0,50 6,6 20 67 15 0,4 40 0,55 7,3 27 89 25 0,6 50 0,60 7,9 34 112 40 1,0 60 0,65 8,6 41 134 55 1,3 70 0,70 9,0 48 156 70 1,7 80 0,75 9,9 54 179 90 2,2 90 0,80 10,6 61 201 105 2,5
100 0,85 11,2 68 223 125 3,0 ��������
����
Tabla B.13 Datos del Nomad™ con Rotor de 3pulg. [ ]25
Presión
(psi)
Caudal
(lt/seg)
Caudal
(GPM)
Caída
(metros)
Caída
(pies)
Salida
(Watts)
Salida
(kWHrs/día) 40 0,8 10,6 27 89 35 0,84 50 0,9 11,9 34 112 50 1,2 60 1,0 13,2 40 131 70 1,68 70 1,1 14,5 48 157 80 1,92 80 1,2 15,8 54 177 100 2,4 90 1,3 17,2 61 200 130 3,12 100 1,4 18,5 68 223 155 3,72 110 1,5 19,8 75 246 180 4,32 120 1,6 21,1 81 265 200 4,80 130 1,7 22,4 88 289 230 5,52 140 1,7 22,4 95 312 260 6,24 150 1,75 23,1 102 335 285 6,84
79
Tabla B.14 Datos del Nomad™ con Rotor de 4pulg. [ ]25
Presión
(psi)
Caudal
(lt/seg)
Caudal
(GPM)
Caída
(metros)
Caída
(pies)
Salida
(Watts)
Salida
(kWHrs/día) 40 0,8 10,6 27 89 35 0,84 50 0,9 11,9 34 112 50 1,2 60 1,0 13,2 40 131 70 1,68 70 1,1 14,5 48 157 80 1,92 80 1,2 15,8 54 177 100 2,4 90 1,3 17,2 61 200 130 3,12 100 1,4 18,5 68 223 155 3,72 110 1,5 19,8 75 246 180 4,32 120 1,6 21,1 81 265 200 4,80 130 1,7 22,4 88 289 230 5,52 140 1,7 22,4 95 312 260 6,24 150 1,75 23,1 102 335 285 6,84
Tabla B.15 Datos del Nomad™ con Rotor de 6pulg. [ ]25
Presión
(psi)
Caudal
(lt/seg)
Caudal
(GPM)
Caída
(metros)
Caída
(pies)
Salida
(Watts)
Salida
(kWHrs/día) 50 2,94 38,8 34 112 500 3,1 60 3,12 41,2 41 134 650 4,2 70 3,37 44,5 48 156 775 6,0 80 3,70 48,8 54 179 890 7,6 90 3,95 52,1 61 201 1000 9,6 100 4,12 54,4 68 223 1100 11,3 110 4,39 57,9 75 246 1200 13,2 120 4,49 59,3 82 268 1300 15,4 130 4,75 62,7 88 290 1425 7,8 140 5,00 66,0 95 313 1550 20,0 150 5,21 68,8 102 335 1660 22,6 160 5,56 73,4 109 357 1775 26,6 170 5,75 75,9 116 380 1885 29,2 180 6,03 79,6 122 402 1995 31,2 190 6,25 82,5 129 424 2100 33,6 200 6,50 85,8 136 447 2200 37,7
80
Hidro-generador Harris [ ]26
Este sistema funciona con al menos 1,524 m de cabeza de agua, y un flujo de 150 lt/min,
con lo que puede producir energía las 24 horas del día durante los 7 días de la semana. Esta
cantidad de energía producida depende de la caída del agua, del flujo de la misma y de la
eficiencia de la turbina utilizada. En la figura B.3 se muestra un diagrama de este sistema
de generación.
Figura B.3 Componentes en Generadores DC [ ]26
La turbina produce energía DC con 12, 24 o 48V, los cuales cargan un banco de baterías, el
cual está conectado a un inversor DC-AC que produce la energía que se utiliza.
Este sistema opera eficientemente con una caída entre 3,048m a 182,9m y un flujo entre 38
y 946 lt/min.
En la tabla B.16 se muestra una aproximación de la potencia obtenida para diferentes
combinaciones de caudal y caída.
81
Tabla B.16: Potencia de Salida según la Caída y Flujo del Agua en el Harris [ ]26
Potencia de Salida (Watts)
Flujo (lt/min)
11,36 22,7 37,9 56,8 75,7 113,6 189,3 379 757
Caída (m)
7,62 25 40 60 130 230
15,24 40 75 100 150 265 500 580
22,86 34 70 110 160 240 400 700 900
30,48 45 95 150 240 340 560 975 1300
60,96 40 120 200 300 480 650 1100 1500 2000
91,44 80 180 300 450 600 940 1500 2000
182,88 200 350 600 900 1200 1600 2000 2000
82
APÉNDICE C: Reguladores Thomson and Howe Energy Sistems Inc. [ ]49
Tabla C.1 Regulador Modelo “Junior” [ ]49 Potencia (kW) 2 4
Voltaje (V) 120, 1 Φ 240, 1 Φ Frecuencia (Hz) 50 ó 60 50 ó 60
Tipo de generador Sincrónico Sincrónico Tipo de control Carga Carga
Tabla C.2 Regulador Modelo “A2” [ ]49 Potencia (Kw) 30-150
Voltaje (V) 120, 220, 240 ; 1 Φ 208, 240, 380, 416; 3 Φ
Frecuencia (Hz) 50 ó 60 Tipo de generador Sincrónico o Inducción
Tipo de control Carga
Tabla C.3 Regulador Modelo “H” [ ]49 Potencia (kW) 1-200
Voltaje (V) Cualquiera 1 Φ o 3 Φ Frecuencia (Hz) 50 ó 60
Tipo de generador Inducción Tipo de control Carga
Tabla C.4 Regulador Modelo “K2” [ ]49 Potencia (kW) 60 110 140 180
Voltaje (V) 208, 3 Φ 380, 3 Φ 480, 3 Φ 600, 3 Φ Frecuencia (Hz) 50 ó 60 50 ó 60 50 ó 60 50 ó 60
Tipo de generador Sincronico o inducción
Sincrónico o inducción
Sincrónico o inducción
Sincrónico o inducción
Tipo de control Carga Carga Carga Carga
83
Tabla C.5 Regulador Modelo “LCX” [ ]49 Potencia (Kw) Hasta 75
Voltaje (V) 277-600, 3 Φ Frecuencia (Hz) 50 ó 60
Tipo de generador Sincrónico o inducción Tipo de control Carga
Tabla C.6 Regulador Modelo “G” [ ]49 Potencia (kW) 90, 180, 360
Voltaje (V) Cualquiera, 1 Φ o 3 Φ Frecuencia (Hz) 50 o 60
Tipo de generador Sincrónico o inducción Tipo de control Carga y Caudal
Tabla C.7 Regulador Modelo “I” [ ]49 Potencia (kW) Hasta 2000
Voltaje (V) Cualquiera, 1 Φ o 3 Φ Frecuencia (Hz) 50 o 60
Tipo de generador Sincrónico Tipo de control Caudal
84
MTF de Chile 4
Tabla C.8 Ficha Técnica Regulador electrónico con generador sincrónico monofásico modelo C3
Aplicación Control de frecuencia para micro centrales hidroeléctricas con Generador sincrónico monofásico
Regulación de frecuencia Por derivación de carga a resistencias de carga lastre
Carga Lastre Resistencias eléctricas blindadas 2 x 2,5 kW /220V
Potencia 5 kW Voltaje 220 V o 120V Frecuencia 50Hz o 60Hz
Tabla C.9 Ficha Técnica de Regulador electrónico C&C con generador sincrónico
trifásico modelo C3 Aplicación Control de frecuencia para microcentrales
hidroeléctricas con generadores sincrónicos trifásicos
Regulación de frecuencia Por derivación de carga a resistencias de carga lastre
Carga Lastre Resistencias eléctricas blindadas 220V Potencia 15 kW-100kW Voltaje 220 V Frecuencia 50 Hz o 60 Hz
4 Material cortesía de MTF, Chile. Ing. Carlos Bonifetti
85
CONTROL POR REGULACIÓN DE CARGA (ELC) TIPO C-3
Hay dos formas de regular la frecuencia mediante los triacs o tiristores de
los reguladores electrónicos de carga (ELC, de sus siglas en ingles):
a) por ángulo, es decir "cortando" la onda senoidal en trozos (ver figura 4.3) durante la
regulación.
b) por paquetes, quiere decir que se conecta una resistencia a su valor total por medio de un
interruptor electrónico que conecta cuando la onda de voltaje pasa por ' 0'.
El primer método es más fino pero introduce más ruido electrónico, lo que a
veces puede ser un problema si se requieren interferencias bajas o nulas con otros equipos
cercanos.
Entre las consideraciones generales que se debe tener antes de utilizar este sistema de
regulación por carga se encuentran:
1. Se trata de mantener estable la frecuencia de la planta generadora y una de las maneras
de hacerlo es mantener al generador con una carga fija e igual a la potencia total realmente
producida por la instalación. Esto lo que se llama carga total. Con la estimación de la carga
total, se elige un conjunto de resistencia las que a la hora de estar conectadas éstas igualen o
estén cerca de la carga total estimada.
86
2. La conexión parcial o total de algunas resistencias se efectúa tomando una muestra de la
frecuencia real y comparándola con una frecuencia de referencia (fref). El circuito
electrónico decide entonces el estado de la conexión. Se sabe que en el momento de que se
conecta una carga (con factor de potencia en atraso) a un generador se tiende a producir una
disminución de la frecuencia; en ese momento el sistema electrónico procede a desconectar
una carga lastre equivalente.
Si el sistema de regulación de tensión AVR es capaz de mantener el voltaje y las cargas
útiles y el lastre son resistivas puras se da que: (considerando además la carga balanceada).
a) al realizar un balance de potencias del sistema:
TDU PPP =+ (4.1-1)
Donde:
=UP Potencia útil
=DP Potencia disipada en las cargas resistivas
=TP Potencia total (que es la potencia del generador)
b) también debe cumplirse la ley de la sumatoria de corrientes de la siguiente forma:
TDU III =+ (4.1-2)
Donde:
87
=UI Corriente en la línea de distribución
=DI Corriente a través de las resistencias de disipación
=TI Corriente en la salida del generador
Derivador de carga de 50kW
Para este caso en particular se escogió el siguiente método de regulación:
1. La derivación se efectúa por medio de 12 resistencias disipadoras cuya conexión y
desconexión se realiza en forma de paquetes enteros de la onda senoidal. Esta alternativa
tiene la ventaja de evitar el ruido que produce la conexión por variación de ángulo. A
continuación se esquematizan las diferencias de funcionamiento de los sistemas
anteriormente mencionados.
Figura C.1 Método de derivación por paquetes
88
Figura C.2 Método de derivación por ángulo
Sin embargo para este caso es posible que se produzcan oscilaciones si el tiempo de
respuesta del AVR se acopla con el tiempo de respuesta del derivador de carga, ya que hay
que considerar que se conecta una carga completa, es decir 8,3 % de la carga total.
Este sistema funciona bien cuando el generador realmente genera la carga total. Para cargas
menores el porcentaje de conexión aumenta y hace más probable que el sistema oscile.
En el caso de producirse oscilaciones es necesario ajustar la sensibilidad del sistema de
derivación. También se puede ajustar la sensibilidad del AVR ya que esta provisto de los
potenciómetros necesarios.
89
Si las oscilaciones no pueden evitarse, es necesario cambiar la tarjeta de control y producir
la derivación con métodos de variación de ángulo.
Descripción del funcionamiento del sistema de conexión y desconexión:
Los contactores de este sistema son triacs5 de potencia accionados por un acoplador óptico.
El acoplador óptico es un pequeño triac excitado por un LED Infrarrojo. Este LED esta
conectado en serie con otro LED de visualización de estado de manera que cuando este está
encendido, el LED infrarrojo también lo está y por lo tanto, la resistencia correspondiente
esta conectada. No es posible la conexión si no hay LED encendido.
La inestabilidad del sistema se manifiesta cuando varios LED se encienden en sucesión y se
apagan del mismo modo. Normalmente no hay problemas cuando un solo LED parpadea en
la zona de control. Este LED puede ser cualquiera dependiendo de la relación Carga-Lastre
Carga-Útil.
En la tarjeta de control se encuentran dos potenciómetros que regulan la frecuencia y la
sensibilidad del sistema; tienen cierta relación (al variar la sensibilidad varía ligeramente la
frecuencia la cual debe ser reajustada por medio del potenciómetro correspondiente).
5 Un triac es un dispositivo semiconductor bidireccional, se utiliza como un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna
90
Método para la puesta en operación
1) Verificar todas las conexiones eléctricas; las fases, el neutro, la tierra y la conexión de
las resistencias de lastre.
2) Con la carga útil desconectada abrir lentamente la válvula de agua hasta obtener el
voltaje y la frecuencia deseados (220V o 120V y 60 Hz).
3) Seguir abriendo la válvula, los LED del tablero de control deben empezar a encenderse
uno tras otro.
4) Con la válvula completamente abierta deben encenderse casi todos los LED. La
cantidad de LED encendidos determinan la potencia total que esta produciendo la
instalación de generación.
5) Si el sistema oscila debe ajustarse la sensibilidad y reajustar la frecuencia.
6) Si el sistema sigue oscilando debe ajustarse la sensibilidad del AVR.
7) Si el sistema sigue oscilando deberá cambiarse la tarjeta de control de carga por
paquetes a una del tipo de control de carga por ángulo de disparo.
91
REGULADORES ELECTRÓNICOS PARA CONTROL DE FRECUENCIA POR
CAUDAL
Dado que el control de frecuencia por derivación de carga es muy cómodo y práctico en los
casos de generadores pequeños y en los casos en que el recurso hidráulico es abundante, los
modelos más completos incluyen en el mismo gabinete la tecnología para derivar la carga y
la opción entre control por actuador sobre la válvula de control de caudal o por derivación
de carga.
Entre las características generales de estos reguladores se encuentran:
1. El controlador provee la potencia necesaria para accionar el motor eléctrico de corriente
continua del actuador lineal. La fuente de energía es de 12V DC, de manera que se
puede conseguir mando en cualquier condición instantánea de operación de la turbina.
2. El controlador provee también la electrónica necesaria para derivar carga en las
resistencias exteriores de la carga lastre.
Funcionamiento
a) Funcionamiento como servomecanismo (actuador lineal con motor DC):
92
• Se toma una señal de frecuencia del generador la que, por medio de un convertidor
electrónico de frecuencia a voltaje (F/V), se transforma en una señal de corriente
continua (CC) proporcional a la frecuencia.
• Esta señal se compara con dos valores de tensión de referencia: un valor superior y
otro inferior.
• Si el valor de la señal se encuentra bajo el valor inferior de la referencia, el motor
girará en un sentido y si se encuentra sobre el valor superior de referencia girará en
sentido contrario, proporcionando así el control sobre la válvula de la turbina.
Esto genera una ventana de tensión que puede ser ajustada por el usuario por medio de
potenciómetros que están contenidos en las tarjetas electrónicas del sistema.
b) Funcionamiento como derivador de carga:
Del mismo modo que en el caso anterior y aprovechando el convertidor electrónico F/V, la
señal DC de frecuencia se compara con una señal tipo rampa sincronizada con la señal
senoidal. Entonces se consigue un ángulo de disparo proporcional a la variación de
frecuencia, sobre un valor nominal determinado. La inclinación de la rampa da la
sensibilidad del sistema.
93
Características técnicas del modelo AB1
1) Actuador 12 V (La elección del actuador depende del tipo de turbina).
2) Derivador de carga incluido en gabinete (excepto las resistencias), hasta 1,5 kW
monofásico. Instalando electrónica de potencia fuera del gabinete se consigue
fácilmente 6 kW de derivación monofásica.
3) Rango de control + 2,5% de frecuencia nominal (50 - 60 Hz).
4) Gabinete 200x300x400 mm con voltímetro, indicador de frecuencia, interruptor de
señal de control e interruptor de corriente actuador.
5) En el interior del panel y por medio de un interruptor se escoge el sistema de control
deseado (servo o derivación de carga).
Otros modelos son:
“A1”: Derivador de carga monofásico hasta 2 kW.
“A2”: Derivador de carga monofásico hasta 6 kW.
“C1”: Derivador de carga trifásico hasta 15 kW.
“C2”: Derivador de carga trifásico hasta 30 kW.
94
CONTROL DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN
La principal diferencia entre un ELC y un IGC es que el IGC usa el voltaje como señal
de entrada al controlador mientras que el ELC tiene la frecuencia como su señal de
entrada. Desde un punto de vista de la ingeniería de control un MCH que utiliza un
generador de inducción es más difícil de controlar debido a que reacciona de forma más
rápida y marcada ante variaciones en sus parámetros nominales.
Sistema “Hummingbird” para el control de generadores sincrónicos o generadores de
inducción (ELC/IGC) [ ]39
Un sistema de control electrónico de carga o ELC de sus siglas en inglés es muy útil en
sistemas de micro generación hidroeléctrica que posean un generador síncrono y sobre
todo cuya potencia generada se utilice para abastecer a una localidad pequeña o
usuarios específicos pero que no esté conectado a la red.
Por otra parte un controlador de generador de inducción o IGC es más útil para sistemas
de generación hidroeléctrica de pequeña escala que utilicen motores de inducción como
generadores y que tampoco estén conectados a la red.
Los motores de inducción son muy utilizados como generadores de inducción. Esto se
debe a que son máquinas muy robustas, se consiguen con facilidad, son relativamente
baratos, se pueden encontrar en un amplio rango de potencias y también requieren de
95
muy poco mantenimiento. Los motores de inducción son útiles para MCH cuyo fin sea
abastecer cargas de iluminación o de potencias no muy elevadas.
En sistemas de poca capacidad, un generador sincrónico es mucho menos económico
que uno de inducción, sin embargo lo que lo vuelve atractivo, es su sistema de control
de frecuencia mediante ELC. Un generador síncrono que utiliza ELC tiene una
frecuencia muy estable y de esta forma los sistemas son capaces de suministrar altas
corrientes como por ejemplo las necesarias para el arranque de motores eléctricos. En
general los generadores sincrónicos se vuelven útiles cuando:
1. La potencia generada es alta.
2. Cuando la potencia generada se va utilizar para alimentar motores eléctricos (o sea
aplicaciones industriales).
3. Cuando se utiliza la potencia generada para alimentar cargas sensibles ante
variaciones en la frecuencia del sistema.
Desde un punto de vista de la eficiencia, el uso de gobernadores para controlar el
ingreso de agua en la turbina sería mejor, sin embargo este sistema sólo tiene aplicación
verdadera si se tiene un embalse que permita regular el caudal de entrada, y usualmente
las MCH no poseen dichos embalses. Las MCH son usualmente sistemas que se
encuentran “a filo de agua” y por lo tanto el agua que no se utiliza de forma instantánea
se desaprovecha mientras sigue su curso en el rió o quebrada.
96
Hoy en día únicamente las MCH de grandes potencias (por encima de los 100 kW)
utilizan los gobernadores para el control de caudal. Los sistemas de control de caudal
son generalmente muy caros y requieren de mucho mantenimiento lo que convierte la
MCH en un proyecto menos económico y menos confiable ya que está expuesto a fallas
por falta de mantenimiento.
Sistema Hummingbird tipo ELC [ ]39
Utiliza el método de derivación por ángulo. En un momento determinado de cada medio
período de la onda senoidal de voltaje del generador se conecta la carga balasto y se
mantiene conectada durante lo que queda del medio periodo. Este instante de tiempo en
el cual la carga es conectada se denomina ángulo de fase. Al inicio del periodo el
ángulo de fase es de 0º y al final del periodo el ángulo de fase es de 180º. Esto se
representa de mejor forma en la figura 4.6. En ella se puede observar tanto la onda de
voltaje del generador como la onda de voltaje a través de la carga balasto, ambas están
expresadas como fracciones del voltaje efectivo.
97
Figura C.3 Método de derivación por ángulo para el Hummingbird [ ]39
Una de las grandes ventajas de la derivación por ángulo es que se utiliza triacs o
tiristores para hacer la conmutación, estos elementos son muy económicos y fáciles de
conseguir. Además, estos componentes son capaces de manejar corrientes muy altas y
se pueden encontrar en rangos de potencia y frecuencia muy convenientes.
Sin embargo una desventaja de este sistema es que cuando el triac o el tiristor ingresan
una carga al sistema mientras que el voltaje del generador esta en su máximo se genera
un ruido electrónico, esto sucede a aproximadamente 90º. Otro problema de esto es que
cuando la carga ingresa a 90º de la onda, el generador lo ve como una carga inductiva
debido al desfase de 90º en atraso con respecto al voltaje generado. Es por esta razón,
que los generadores que vayan a operar mediante el sistema de regulación de frecuencia
por carga, deben estar ligeramente sobredimensionados de manera que se pueda
compensar el efecto de las cargas balasto cuando éstas entran en operación.
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APÉNDICE D: Base de datos y enlaces en formato digital Junto con esta monografía, se tiene un disco compacto con varios documentos, el
documento index.html, muestra una interfaz donde el usuario puede acceder a diferentes
fuentes de este proyecto. A continuación se muestra esta interfaz.
1. Generadores
1.1 inducción:
• “Wind turbines with asynchronous electrical generators”
Autor: Johnson, Gary L.
http://www.rpc.com.au/products/windturbines/wind-book/wind6.pdf
• “An easy to build and operate induction generator”
Autor: Weinfurtner, Greg
http://www.qsl.net/ns8o/Induction_Generator.html
1.2 sincrónicos:
• “Synchronous Generators”
Pagina de: Danish Wind Industry Association
http://www.windpower.org/en/tour/wtrb/syncgen.htm
• “The Synchronous Generator”
Autor: Samuelsson, Olof
99
http://www.iea.lth.se/eks/pm2.pdf
1.3 generadores DC:
• “Microhydro systems: DC microhydro generators”
Autor: Stapleton, Geoff et al.
http://www.greenhouse.gov.au/yourhome/technical/fs49.htm
• “Batteries & Inverters”
Autor: Stapleton, Geoff et al.
http://www.greenhouse.gov.au/yourhome/technical/fs410.htm
1.4 alternadores:
• “Alternador Secrets”
http://www.1stconnect.com/anozira/SiteTops/energy/Alternator/alternator.htm
• “Understanding Alternators”
Autor: Masters, Dan
http://www.alternatorparts.com/understanding_alternators.htm
• “Alternador Basics”
Pagina de: Basic Car Audio Electronics
http://www.bcae1.com/charging.htm
1.5 motor como generador:
• “Operating 60 cycle induction motors as generators”
http://www.redrok.com/cimtext.pdf
• “Estudio de scaling up en MCHs”
100
Autor: Dávila, Celso et al.
http://www.itdg.org/docs/energy/prado_estudio_de_scaling_up_en_mchs.pdf
1.6 criterios de selección:
• “What is a micro hydro system?”
Página de: Green Empowerment
http://www.greenempowerment.org/whatisMicroHydro.htm
• “Micro Hydro Systems”
Autor: Stapleton, Geoff
http://www.greenhouse.gov.au/yourhome/technical/pdf/fs49.pdf
• “Selección comparativa de varios tipos de generadores”
Autor: Otherpower
Enlace original: www.otherpower.com/generados.pdf
1.7 protecciones:
• “ Tutorial de IEEE de Protección de Generadores Sincrónicos”
Autor: Power Engineering Education Comitee, IEEE
http://www.beckwithelectric.com/infoctr/spanish/tutorialgenIEEE.pdf
• “Protección de generadores”
Autor: Instituto Argentino de Energía
Enlace original: http://www.iae.org.ar/archivos/educ7.pdf
1.8 eficiencia:
• Eficiencia de generadores pdf
101
Fuentes: indicadas en el documento.
Editores: Roberto Batista Fernández, Josué Fonseca Barboza
• “Eficiencia energética en motores eléctricos”
Autor: Tiravanti, Eduardo.
http://www.abcdatos.com/tutoriales/tutorial/l7862.html
• “Motores eléctricos de alta eficiencia: características electromecánicas, ventajas y aplicabilidad”
Autor: Quispe, Enrique.
http://energiaycomputacion.univalle.edu.co/edicion21/21art2.pdf
• “Induction motor efficiency standards”
Autor: Douglas, Johnny
http://www.energy.wsu.edu/documents/engineering/motors/EfficiencyStandards.pdf
2. Sistemas de Control
2.1 Regulación por carga
• “Regulación de frecuencia en una minihidroeléctrica por carga lastre mediante un PC embebido”
Autores: Peña Pupo, Leonardo et al.
www.aedie.org/9CHLIE-paper-send/291-PE%D1A.pdf
• “Telemando para pequeñas centrales hidroeléctricas”
Autor: Red latinoamericana de micro energía
102
www.itdg.org.pe/archivos/energia/Revista%20Hidrored.pdf
• “The Hummingbird: Electronic load controller/ induction generator controller”
Autor: Jan Portegijs
http://www.microhydropower.net/mhp_group/portegijs/humbird/humb_main.html
• Características técnicas de controladores MTF: A1, A2, C1, C2 PDF
Autor: Ing. Carlos Boniffeti, MTF Hidroenergía, Chile
• Controladores de frecuncia MTF para 25-100 Kw, trifásicos PDF
Autor: Ing. Carlos Boniffeti, MTF Hidroenergía, Chile
• Controladores de frecuencia MTF para 10 Kw PDF
Autor: Ing. Carlos Boniffeti, MTF Hidroenergía, Chile
• Controladores de frecuncia MTF para 5 Kw PDF
Autor: Ing. Carlos Boniffeti, MTF Hidroenergía, Chile
• Control por el método de derivación por ángulo tipo C3 PDF
Autor: Cox y Cia Ltda, Concepción de Chile
• “Designing a microcontroller-driven alternador voltaje regulador”
Autor: Swanson, David
http://www.automotivedesignline.com/howto/171200074
2.2 Regulación por caudal
• “El control de la frecuencia en las mini y microcentrales hidroeléctricas”
Autores: Hernández Márquez, José Ramón et al.
103
http://www.ciget.pinar.cu/No.2003-2/frecuencia.htm
• “Governor selection” Autor: Thomson and Howe Energy Systems Inc. http://smallhydropower.com/thes.html
3. Empresas y proveedores
• ABB http://www.abb.com
Ofrece: motores, generadores síncronos y sistemas de control. • Arga Controls http://www.argacontrols.com
Ofrece: sistemas de control utilizables en las MCH.
• Basler Electric http://www.basler.com
Ofrece: sistemas de control y protección para equipos de generación eléctrica. • Belyea Power http://www.belyeapower.com
Ofrece: turbinas, generadores y equipos de protección y medición eléctrica.
• Bharat Heavy Electricals Limited http://www.bhel.com/bhel/home.php
Ofrece: sistemas completos de generador con sistema de control para MCH desde 100 kW hasta 2 MW, o bien cada elemento por separado.
• Bitterroot Solar http://www.bitterrootsolar.com/hydro.htm
Ofrece: generadores y turbines exclusivos para uso en MCH. • Bosch http://www.bosch.com
104
Ofrece: alternadores de automóviles que se pueden utilizar en MCH. • Canyon Hydro http://www.canyonhydro.com
Ofrece: principalmente sistemas completos de MCH que van desde los 4 kW hasta los 15 MW.
• Electric Machinery Company Inc. http://www.electricmachinery.com
Ofrece: motores (inducción o sincrónicos) y generadores (sincrónicos). • Gilkes http://www.gilkes.com/home.htm
Ofrece: turbinas Pelton, Turgo y Francis. • Ideal Electric http://www.idealelectricco.com
Ofrece: motores, generadores y sistemas de control. • Interdinámica http://www.interdinamic.com
Ofrece: sistemas completos de MCH para potencias de 1 kW a 60 kW. • Nomad http://www.inertialessdrive.co.nz/nomad.htm
Ofrece: generadores DC y AC para potencias desde 400 W hasta 38 kW.
• PML http://www.pml.com
Ofrece: Equipos para medición de variables eléctricas.
• Power Pal http://www.powerpal.com
Ofrece: Sistemas completos de generación hidroeléctrica a pequeña escala para países en vías de desarrollo.
• Rainbow Power Company http://www.rpc.com.au/
Ofrece: servicios de medición de parámetros para evaluar la potencia disponible en un sitio.
• Reliance Electric http://www.reliance.com/prodserv/motgen/motgenhome.htm
105
Ofrece: motores DC y AC.
• Retrace Electronics http://www.retraceelectronics.com/
Ofrece: Sistemas de regulación de frecuencia tipo ELC. • Siemens http://www.siemens.com
Ofrece: motores (sincrónicos/inducción), generadores (sincrónicos/inducción), sistemas de control y protección para los mismos.
• Thomson and Howe Energy Systems Inc.
http://www.smallhydropower.com/thes.html
Ofrece: reguladores electrónicos de carga • Toshiba http://www.toshiba.co.jp/f-ene/hydro/english/products/equipment/gen.htm
Ofrece: turbinas, generadores y sistemas de control (gobernadores para regulación de velocidad).
• Wasserkraft Volk http://www.wkv-ag.com/spanisch/wasser/wk_1_1.html
Ofrece: turbinas Pelton, Francis, Turgo y de flujo cruzado. • Watermotor http://www.watermotor.net
Ofrece: sistemas completos de MCH que utilizan alternadores como generadores.
4. Links de interés
• http://www.cecu.es/campanas/medio%20ambiente/res&rue/htm/guia/minidrauli
ca.htm
Acerca de: Proyectos de energía renovable en España. Idioma: Español
• http://www.codeso.com/EnergiaHidraulica1.html
106
Acerca de: Selección del tipo de turbina para un proyecto hidroeléctrico de pequeña escala. Idioma: Español
• http://www.eee.ntu.ac.uk/research/microhydro
Acerca de: Investigaciones para la reducción del costo de los equipos en una central hidroeléctrica de pequeña escala. Idioma: Inglés
• http://hydrowest.com
Acerca de: Proyectos de energía renovable en los Estados Unidos. Idioma: Inglés
• http://www.scsolar.com/microhydro.html
Acerca de: Energías renovables, específicamente solar e hidroeléctrica. Idioma: Inglés
• http://www.fluid.ntua.gr/lht/pelton1.htm
Acerca de: Diseño de turbinas Pelton. Idioma: Inglés
• http://www.hydro.com.au
Acerca de: Proyectos de energía renovable en Australia.
Idioma: Inglés
• http://www.microhydro.com/english.html
Acerca de: Turbinas para generación hidroeléctrica a pequeña escala. Idioma: Inglés
• http://www.microhydropower.com
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Acerca de: Diseño de MCH. Idioma: Inglés
• http://www.microhydropower.net
Acerca de: Página dedicada a la divulgación de información y promoción de las MCH alrededor del mundo. Idioma: Inglés
• http://erg.ucd.ie/sectors/res/res_casestudies_sh.html
Acerca de: Proyectos de generación hidroeléctrica de pequeña escala en Europa. Idioma: Inglés
• http://www.smallhydro.com
Acerca de: Página web de Mckay Water Power, especialistas en sistemas de generación hidroeléctrica de pequeña escala. Idioma: Inglés
• http://www.solarco.cl/microhidraulica2.htm
Acerca de: Proyectos de energía renovable en Chile. Idioma: Español
5. Informe: “Generadores y sistemas de control en micro y mini centrales hidroeléctricas de 1kW a 1Mw (Pdf)”