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

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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

107

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)”