Generadores y Subsistemas de control
Para transformar la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica se
utilizan generadores eléctricos. El generador puede ser de corriente continua (dinamo) o de
corriente alterna (alternador). Estos últimos son los únicos que se utilizan actualmente.
El alternador está compuesto de dos partes fundamentales: el rotor o inductor móvil, encargado de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina y el estator o inducido fijo, en el que se genera la corriente eléctrica.
Maquinas electricas rotativas
El Generador
Llamamos máquinas eléctricas a los dispositivos capaces de transformar energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. Las máquinas eléctricas se pueden dividir en:
Máquinas eléctricas rotativas, que están compuestas de partes giratorias, como los dinamos, alternadores y motores.
Máquinas eléctricas estáticas, que no disponen de partes móviles, como los transformadores.
Vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas, que lo constituyen los motores y los generadores. Las máquinas eléctricas rotativas son reversibles, ya que pueden trabajar de dos maneras diferentes:
Como motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica.
Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica en eléctrica.
Las máquinas eléctricas se pueden dividir en rotativas y estáticas. En este caso vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas que lo constituyen los motores y los generadores.
Todas las máquinas rotativas están formadas por una parte fija llamada estator, tiene forma cilíndrica, y otra móvil llamada rotor.
El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el estator del rotor, necesario para que pueda girar la máquina se denomina entrehierro.
Normalmente tanto en el estator como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se denomina inducido. De igual manera, se podría situar el inductor en el estator y el inducido en el rotor o viceversa.
Principio de funcionamiento de un generador eléctrico: la ley de Faraday
El principio de funcionamiento de los generadores se basa en el fenómeno de inducción electromagnética: la Ley de Faraday.
Esta ley nos dice que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira. Esto quiere decir que si tenemos un campo magnético generando un flujo magnético, necesitamos una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genera la f.e.m. (fuerza electromotriz).
FEM generada por una dinamo
E= K . N . Φ
Donde:
E = Fuerza electromotriz (V)
Φ= Flujo por polos (Wb)
N = Velocidad de giro del inducido (r.p.m)
Cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar provocamos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la f.e.m. y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético.
La cantidad de corriente inducida o f.e.m. dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número, mayor variación de flujo generará y por lo tanto mayor fuerza electromotriz.
Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. Esta tensión tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º los polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo.
Generadores Eléctricos
Un generador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina estator.
Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de las dos partes genera un flujo magnético (actúa como inductor) para que el otro lo transforme en electricidad (actúa como inducido).
Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandes grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y los dinamos.
El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se basa en que el alternador mantiene la corriente alterna mientras la dinamo convierte la corriente alterna en corriente continua.
Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El elemento inductor es el rotor y el inducido el estator. Un ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas, las cuales transforman la energía mecánica en eléctrica alterna.
Los dinamos generan electricidad en corriente continua. El elemento inductor es el estator y el inducido del rotor. Un ejemplo lo encontramos en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a través del pedaleo.
Respecto a la posición de su árbol de giro, los generadores se clasifican en generadores
de eje vertical y generadores de eje horizontal. Las máquinas eléctricas de corriente alterna típicamente utilizadas se clasifican en máquinas síncronas y máquinas asíncronas o de inducción.
La mayor desventaja de los generadores asíncronos es que necesitan de una batería de
condensadores conectados a la salida, la cual compensa la energía reactiva generada. Para la creación del campo magnético el generador asíncrono debe estar conectado a la red y tomar de ella la corriente reactiva necesaria. Cuando la turbina hidráulica incrementa la potencia se produce un incremento en el deslizamiento. Ya que la red eléctrica es la que fija la frecuencia no se precisa que la turbina disponga de un regulador de velocidad.
Para llevar a cabo el arranque del generador asíncrono se actúa sobre la admisión de
agua en la turbina, de tal manera que ésta se vaya acelerando hasta que el generador se aproxime a su velocidad de sincronismo, instante en el que se cierra el interruptor automático de línea.
En los generadores síncronos es necesario alimentar el devanado del rotor con corriente
continua, la cual origina un campo magnético giratorio en el interior del generador que, a su
vez, produce un sistema trifásico de voltajes en los arrollamientos del estator. Debido a que
el rotor del generador gira, es necesario utilizar mecanismos especiales para llevar a cabo el
suministro de la corriente continua de excitación. Básicamente, la corriente continua puede ser suministrada por tres mecanismos de excitación: excitación, excitación auxiliar y excitación sin escobillas.
La excitación auxiliar consiste en alimentar el devanado inductor mediante la corriente continua generada por una dinamo auxiliar regulada por un reóstato y montada sobre el árbol del generador sincrónico.
La autoexcitación consiste en tomar la corriente desde los terminales del generador, transformarla mediante un transformador de excitación, rectificar mediante un sistema
electrónico estático e inyectarla en el devanado inductor mediante un dispositivo de escobillas y anillos rozantes que rodean al árbol de la máquina, pero aislados del mismo árbol.
A pesar de los problemas de mantenimiento que genera la combinación de anillos rozantes
y escobillas, las máquinas síncronas pequeñas suelen emplear este sistema de excitación
ya que, funcionalmente, es el menos costoso para inyectar la corriente de campo. En el instante del arranque del generador síncrono no existe tensión en los bornes y, consecuentemente, no se dispone de corriente de excitación. Por tanto, se necesita una fuente auxiliar (ejemplo,una batería) para iniciar el funcionamiento.
La excitación sin escobillas emplea un pequeño generador síncrono (excitatriz principal)
cuyo inducido va montado en el rotor y los polos inductores en el estator. La tensión trifásica de la excitatriz se rectifica a tensión continua mediante un puente de diodos, montado asimismo sobre el árbol del generador, y suministrada directamente, sin escobillas, al devanado de excitación del alternador. El ajuste de la corriente de excitación del generador síncrono se lleva a cabo mediante el control de la corriente de excitación de la excitatriz principal (desde el estator), la cual puede ser suministrada por un transformador de excitación (Figura).
El arranque de los generadores síncronos se realiza en vacío. Mediante la regulación del sistema de admisión de agua de la turbina se incrementa progresivamente la velocidad de ésta y en el instante en que el generador síncrono alcanza una velocidad próxima al sincronismo se conecta la excitación.
Regulación y control
Las centrales hidroeléctricas disponen de diversos dispositivos de regulación, control y protección adecuados al tipo de tecnología empleada y del funcionamiento previsto. Fundamentalmente controlan la turbina (caudal utilizado por las turbinas, regulación de potencia de centrales aisladas, etc.) y el generador (regulación de la tensión de generadores síncronos, batería de condensadores de grupos asíncronos, etc.). Las protecciones, que pueden ser mecánicas y eléctricas, de los diferentes subsistemas actúan cuando existe una anomalía en su funcionamiento.
En el caso de centrales hidroeléctricas que suministran energía mediante generadores síncronos a redes aisladas es preciso controlar la velocidad de rotación, que normalmente se lleva a cabo regulando el caudal de entrada a la turbina y regulando la tensión del alternador, con el propósito de mantener la tensión dentro de un cierto rango. Si disminuye la demanda energética, la turbina tiende a acelerarse, por lo que un sensor de rpm (mecánico, electrónico, etc.) detecta el incremento de la velocidad y envía una señal para que un servomotor (generalmente, un cilindro hidráulico) regule el grado de apertura de los álabes del distribuidor (en el caso de las turbinas Francis), o el grado de apertura de los álabes del distribuidor y del rodete (en el caso de turbinas Kaplan), o el grado de apertura de las válvulas de aguja de los inyectores (en el caso de las turbinas Pelton) y se alimente con menor caudal de agua a las turbinas. Si se incrementa la demanda energética, los sensores de rpm proporcionarán información al servomotor para que se produzca un incremento del caudal de agua que alimenta a las turbinas.
Sistema de regulación mecánico- hidráulico sin retroalimentación.
En la figura se muestra que si la carga disminuye, el grupo se acelera y entonces, debido a las fuerzas centrífugas, las bolas del taquímetro se separan (ya que el taquímetro gira a la misma velocidad que la turbina o a un múltiplo de dicha velocidad). Dicha separación origina que el manguito del taquímetro suba, la palanca A gire respecto de el punto de apoyo B y el punto C descienda dando lugar a que la palanca D actúe sobre el distribuidor, que es una válvula amplificadora de presión hidráulica. Es decir, la pequeña fuerza que origina el descenso del punto C se traduce en una fuerza mucho mayor actuando en el vástago del servomotor.
Al descender la palanca D el aceite a presión sale por la parte inferior izquierda del distribuidor y entra por la parte inferior del servomotor, mientras que el aceite situado en la parte superior del servomotor entra por la parte superior izquierda del distribuidor y se dirige hacia el tanque de aceite. Al desplazarse el pistón del servomotor hacia arriba se cierra el distribuidor de la turbina.
Si la carga se incrementa se produce el proceso inverso, dando lugar a que el pistón del servo motor abra el distribuidor de la turbina y entre mayor caudal de agua en la misma.
Automatización, monitorización y telemando.
Normalmente, las minicentrales hidroeléctricas disponen de sistemas con algún grado de
automatismo de control, dependiendo dicho grado de diversos factores, entre los que se encuentran el personal disponible, la distancia del punto de ubicación de la central de un núcleo poblacional, etc.
Por tanto, pueden existir centrales con un alto grado de automatismo, que cuentan con
sistemas de medida y control inteligentes que, apoyándose en microprocesadores y software, llevan a cabo las tareas de arranque, regulación del funcionamiento y las paradas, y centrales cuyo grado de automatismo se limita a generar una señal de alarma y desconectar los grupos, mediante el empleo de relés convencionales, en el caso de presentarse anomalías en el funcionamiento.
Generalmente, las centrales cuentan con sistemas de telemetría que toman información
de diversos parámetros de operación, los cuales pueden ser monitorizados en una pantalla
digital, almacenarse en una base de datos y consultarse a distancia, vía módem. El sistema de telemando también permite que la central pueda ser controlada a distancia por un operador.
Servicios Auxiliares
Los sistemas de servicios auxiliares en una planta de generación son esenciales para lograr una operación confiable. Los servicios auxiliares comprenden las siguientes funciones: agua de refrigeración, aguas de drenajes, equipos antiincendios tanto desde elpunto de vista de su detección como su extinción, aire comprimido, servicios de agua potable, sistemas de lubricación, tratamiento de aguas residuales, aire acondicionado y sistemas de aireación. Incluyen los servicios eléctricos y mecánicos adicionales a los mencionados, como los equipos de levantamiento y alce.
Los sistemas de servicios auxiliares se consideran cuidadosamente en la etapa de diseño de la planta, porque desde su concepción misma se está determinando la confiabilidad y flexibilidad de la operación.
Subsistema eléctrico auxiliar
Dentro del equipamiento eléctrico de una central hidroeléctrica hay que destacar el
transformador de tensión, que tiene como función elevar la tensión para reducir las pérdidas durante el transporte de la energía. Normalmente, en las centrales pequeñas el transformador de baja-media o media-alta se instala en el interior del edificio central, sin embargo, a veces estos dispositivos se ubican al aire libre (Figura), generando impacto visual. Otro elemento a destacar es la línea de transporte eléctrico hasta la red de distribución o al consumo aislado.
Reguladores de velocidad
Se regula la velocidad para mantenerla lo más próxima posible a un valor determinado; y cuando sufra cambios, regrese lo más pronto posible al valor de referencia.
Eficiencia de las turbinas hidráulicas
Para estimar la energía generada por una minicentral hidroeléctrica se precisa conocer el
caudal de agua disponible a lo largo de un año medio, por lo cual es necesario llevar a cabo
un estudio hidrológico que contemple la variación del caudal durante un cierto número de
años.
En dicho estudio es necesario tener en cuenta una serie de caudales:
El caudal de servidumbre, el cual se compone del caudal ecológico o caudal mínimo necesario para mantener el funcionamiento, composición y estructura del ecosistema fluvial que ese cauce contiene en condiciones naturales y del caudal que se destina a otros usos;
El caudal de equipamiento Qe, el cual se selecciona de tal manera que el volumen turbinado sea máximo;
El caudal mínimo técnico, que es proporcional al caudal de equipamiento y depende del tipo de turbina seleccionada (aproximadamente, 10% Qe para turbina Pelton,
25% Qe para turbina Kaplan y 40% Qe para turbina Francis).
El salto neto Hn (Figura 8.53) se define como la diferencia entre el salto útil Hu y las
pérdidas de carga Hp que se producen en las conducciones de agua. El salto útil es la diferencia entre el nivel de la lámina de agua en la cámara de carga y el nivel de desagüe de la turbina. El salto bruto Hb es la diferencia de altura entre la lámina de agua en la toma y el nivel del río en el punto donde se descarga el caudal turbinado
Los rendimientos de los diversos componentes de la central son proporcionados por sus
fabricantes, sin embargo, a efectos de estimación inicial el rendimiento global puede tomarse entre un 80% y un 85%.
Las pérdidas en los conductos pueden ser estimados mediante la ecuación de Darcy y
Weisbach, la cual es aplicable a flujos laminares y turbulentos, que fluyen en conductos de sección transversal arbitraria:
donde f es un factor de fricción adimensional, L la longitud del tubo en m, D el diámetro de
la tubería en m, V la velocidad media en m/s, y g %9,81 m/s2 la aceleración de la gravedad.
A dichas pérdidas hay que añadir las originadas por codos, válvulas, etc.
Una vez estimada la potencia instantánea se puede determinar la energía multiplicando la
potencia en cada instante por el tiempo de funcionamiento
