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GENERADORES
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CAPÍTULO V
G E N E R A D O R E S
5.1 INTRODUCCIÓN
En los generadores de corriente continua la existencia del colector hace
necesario que sea el inducido el elemento giratorio o que las escobillas giren
con el inductor. Como los alternadores no necesitan colector, no es preciso
que sea el inducido el que gire. Es difícil disponer de espacio suficiente para
el cobre en la superficie de un inducido, si el que gira es el inducido, la
posibilidad de ahondar las ranuras queda limitada por la reducción del
espesor de la base de los dientes, no se presentan estas dificultades cuando
se trata de inducidos fijos, puesto que las bases de los dientes situados entre
las ranuras aumentan si se hacen más profundas. Ver Fig. 5.1. 1
Fig. 5.1 Dientes en el rotor y estator de una máquina.
Como el inducido funciona en general a una tensión mucho más alta que el
inductor, se requiere un aislamiento mucho mayor. El espacio preciso para
este incremento del aislamiento es fácil conseguirlo en las profundas ranuras
del estator.
Los generadores empleados en turbinas hidráulicas, son los generadores de
polos salientes (Fig. 5.2), los cuales, tienen características muy diferentes
según sean accionados por turbinas lentas o rápidas. Hasta un cierto
diámetro el rotor puede ser fabricado de una sola pieza de acero forjado y de
buena calidad, los polos se fijan a la superficie externa de la rueda por
medio de ranuras en cola de milano y con sólidos bulones. Sobre los polos,
1 DAWES CHESTER, Corriente Alterna; Edit Gustavo Gili. 1974 Pág. 167.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
156
se fijan los arrollamientos de corriente continua destinados a crear el campo
correspondiente.
Fig. 5.2 Generador de la Planta de Zongo
Los alternadores destinados al acoplamiento coaxial con las turbinas
hidráulicas deben adaptarse a la variada gama de velocidades de la turbina y
cumplir además las exigencias mecánicas que son; el momento de inercia de
la masa giratoria y los esfuerzos a que se hallan sometidos cuando se alcanza
la velocidad de fuga.
Fig. 5.3 Generador Planta Botijlaca(Zongo)
GENERADORES
157
5.2 TENSIÓN Y POTENCIA DEL GENERADOR
La tensión de generación más conveniente cuando la planta deba servir a
una carga local preexistente, es obviamente la de la carga en cuestión, por
que así se elimina la doble transformación de la energía y se reduce al
mínimo el equipo de la planta, si la situación anterior no se presenta,
entonces la tensión de generación debe ser escogida tomando en cuenta el
costo del equipo, que varía con la tensión en cuanto al aislamiento de los
cables, boquillas de transformadores e interruptores, aisladores de
estructuras, etc. y con la intensidad de la corriente en cuanto se refiere a
conductores, desconectadores, interruptores, etc. Por que si, se escoge una
tensión baja, se gasta mucho en cobre y poco en aislamiento, y si se toma
una tensión alta, se gasta mucho en aislamiento y poco en cobre.
En un generador es siempre mejor utilizar el menor número de barras por
ranura, por que el espacio devanable se aprovecha más, y en tanto las barras
sean del tipo transpuesto, el efecto Kelvin será de poca significación, lo cual
quiere decir que la tensión elegida tenderá a ser la menor. Un factor
importante es el escalonamiento comercial de los elementos de control más
necesarios, o sea los interruptores y transformadores de corriente. La
siguiente es una escala común para los interruptores.
Amperios 200 - 300 - 400 - 600 - 800- 1200- 1600- 2000
Voltios 600 - 2500 - 5000 - 7500 - 15000 - 25000
Cualquiera de las capacidades en amperios puede ser obtenida en
interruptores de 7500 voltios o menos; pero no se fabrican para 15000
voltios con menos de 400 amperios; ni de 25000 voltios con menos de 600
amperios debido a que, costarían lo mismo que estos prácticamente con
menor capacidad.
En consecuencia, para aprovechar al máximo el equipo interruptor conviene
que la corriente normal, aumentada 25 % sea algo menor que alguno de los
escalones de intensidad y que la tensión normal aumentada un 10 %, sea
igual a alguno de los escalones de potencial.
Otros factores son la seguridad y el crecimiento, respecto al primero hay
más probabilidad de falla en el aislamiento en tensiones elevadas que en
medianas o bajas. Respecto al segundo, la certidumbre de que en el futuro,
será instalada una máquina de mayor capacidad de las actuales, predispone a
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
158
elección en favor de la tensión más alta.
Las tensiones de generación más conocidas son 525, 3300 y 6600 voltios.
El rotor de un generador debe girar a la velocidad de sincronismo, la cual
es controlada por la turbina y depende también del flujo magnético que
es generado por el campo de corriente continua que corta las bobinas del
estator. El valor exacto del voltaje generado en el estator es controlado
por la corriente de excitación en los bobinados del campo mientras que la
frecuencia es controlada por la velocidad de giro de la máquina. La
potencia de generación del alternador es controlada por el par
mecánico aplicado al eje del alternador de la turbina.
5.3 PARTES COMPONENTES DE UN ALTERNADOR
Los alternadores accionados por turbinas hidráulicas pueden ser de eje
horizontal o vertical. Como el acoplamiento mecánico de los alternadores es
más sencillo si se colocan sobre la turbina, los tipos verticales son más
utilizados. Sin embargo, los alternadores accionados por turbinas Pelton son,
en general, horizontales. Un alternador esta compuesto por las siguientes
partes.
5.3.1 ESTATOR O INDUCIDO
Fig. 5.4 Estator o inducido Planta Rea-Rea (Colquiri).
GENERADORES
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El estator u órgano fijo del alternador hace casi siempre de inducido
(Fig.5.4), siendo el órgano móvil el que hace de inductor, se designa por
ello con el nombre de rotor.
Cuando el alternador está en marcha, el hierro del estator está
continuamente sometido a las variaciones del flujo del campo giratorio y
debe, por tanto, construirse con chapas para reducir las pérdidas por
corrientes parásitas. En máquinas de poco diámetro, cada una de las chapas
forma ordinariamente un disco completo. En los tipos mayores de máquinas
rotativas, el hierro del estator se compone de segmentos circulares
superpuestos, que se fijan a la estructura bien mediante colas de milano,
bien con pernos. En la figura 5.5 (a) se representa un segmento estampado
del tipo que se fija con pernos para máquina de velocidad media, y en (b)
uno con colas de milano para alternador accionado por turbina de vapor.
Debe observarse la gran anchura del hierro que queda en el fondo de las
ranuras. En (c) se ha representado un segmento con ventilación para
acoplarlo a otros del tipo (b) con el fin de dejar conductos internos que
aseguren la ventilación del núcleo del estator.
Fig. 5.5 Segmentos estampados para estator: a) Baja velocidad; b) para
accionamiento para turbina de vapor; c) Segmento para conducto de
ventilación.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
160
Con frecuencia, las chapas tales como la (b) están perforadas para que
formen conductos longitudinales de aire. Las chapas de acero están aisladas
entre sí para evitar el calentamiento de las mismas debido a las corrientes
parásitas o de Foucault y este calentamiento se traduce en pérdidas de
potencia de la máquina.2
5.3.2 ROTOR O INDUCTOR
La parte móvil del alternador se denomina rotor, que para turbinas
hidráulicas tiene generalmente polos salientes formados de hierro macizo o
chapas magnéticas para evitar pérdidas por calentamiento. En los polos
están situados los devanados de excitación (Figs. 5.6 y 5.7), y todo este
conjunto está muy bien constituido para evitar destrozos causados por las
elevadas fuerzas centrífugas.
Fig. 5.6 Alternador en montaje Rotor de Alternador
Las bobinas de campo de los alternadores de pequeña capacidad se
confeccionan ordinariamente con conductores de sección rectangular, con
cubierta de algodón completamente impregnada; en los alternadores de tipo
mayor se emplean bobinas devanadas con cinta de cobre, frecuentemente
2 DAWES CHESTER; Corriente Alterna, Edit. Gustavo Gili, 1974, Pág. 178
GENERADORES
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aisladas con mica, fijadas a altas temperaturas.
Fig. 5.7 Piezas polares salientes, con dos tipos de bobinas.
5.3.3 CARCASA
Es la parte externa del alternador que sirve para soportar el estator y
comprende; la cubierta, la base y los cojinetes o descansos. Presenta
orificios para la ventilación y soporta los portaescobillas del colector de la
corriente de excitación del campo.
5.4 FACTOR DE POTENCIA
Si se tiene una tensión alterna U que alimenta I, se llama cos al coseno
del ángulo de desfase de la intensidad con respecto a la tensión. Si la
corriente es sinusoidal, el cos se llama factor de potencia y por el cual es
preciso multiplicar U I para obtener la potencia absorbida por dicho
receptor.
Fig. 5.8 Diagrama Vectorial de un alternador para factor de potencia cos_Ø y
corriente retrasada.
Un mal cos en una instalación es perjudicial, tanto para el industrial como
para la empresa generadora de energía, por que exige mayores potencias
aparentes para los alternadores y transformadores (Fig. 5.8). Debido a las
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
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multas que imponen las empresas generadores a los industriales cuyo factor
de potencia es bajo, el industrial debe mejorar el factor de potencia de su
instalación llevándolo próximo a la unidad. Las compañías distribuidoras de
energía están interesadas en suministrar la energía con un factor de potencia
próximo a la unidad. Los alternadores de las centrales, y todos los
transformadores en cascada desde el punto de utilización, tienen mayores
posibilidades de potencia con un buen cos y su rendimiento aumenta, las
pérdidas en las líneas de alta y baja tensión se reducen al mínimo con un
cos = 1.
Para mejorar el factor de potencia es necesario disminuir la energía reactiva
consumida por el conjunto de los receptores, comprendidos los
transformadores.
Fig. 5.9 Alternadores trifásicos que trabajan en paralelo y equipados con
reguladores estáticos compensados que aseguran el funcionamiento de
todas las máquinas con el mismo factor de potencia.
Para crear el equilibrio más aproximado respecto a la distribución,
producción y consumo de las energías activa y reactiva se prefiere
proceder a la producción de energía con un cos = 0,85 valor que suele
variar de manera poco significativa de acuerdo a los criterios de quienes
tienen a su cargo la parte de la producción de la energía.
GENERADORES
163
Es necesario tener presente que un alternador trabajando con un factor de
potencia elevado, reduce el margen de estabilidad del voltaje y del par
sincronizante, normalmente el factor de potencia de un alternador varia entre
0,8 y 0,9, valores con más ventajas constructivas como operativas, ya que un
valor de cos mayor a 0,9 es más costoso y un valor de cos menor a
0,85 exige un campo inductor más potente.
5.5 EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES
La excitación de los generadores se realiza por medio de corriente continua
que recorre el circuito de las bobinas inductoras del rotor. El sistema de
excitación comprende las máquinas y aparatos cuyo objeto es suministrar la
energía para excitar el alternador.
Hay que tener presente que el papel de un sistema de excitación no consiste
sólo en suministrar permanentemente una potencia fija, sino que debe
desarrollar la potencia que convenga y modificarla tan rápidamente como
sea posible. En la práctica, no es posible mantener constante la tensión de
una generatriz y por tanto de evitar las variaciones que causan las
perturbaciones o los cambios de carga. Por ello se pueden evaluar las
cualidades intrínsecas de un sistema de excitación según la rapidez con la
cual es capaz de restablecer el valor requerido de la tensión. La misión que
debe realizar el sistema de excitación puede, pues descomponerse en dos
partes; la primera consiste en mantener la intensidad de corriente rotórica en
un valor necesario durante la perturbación o el cambio de carga, y la
segunda precisa el restablecimiento tan rápido como sea posible del valor
prescrito de la tensión en los bornes de la generatriz desde que se produce la
variación del voltaje, es decir, las dos misiones requeridas pueden ser
expresadas de este modo: mantenimiento de la tensión en el entrehierro,
concepto éste que se define como la tensión inducida correspondiente al
flujo en el entrehierro, y mantenimiento de la tensión en los bornes del
generador.
Para apreciar una máquina de corriente continua como tal excitatriz, es
preciso por consiguiente conocer la rapidez con la cual reacciona a una
impulsión de corriente, y la potencia que precisa poner en juego para
provocar esta reacción. Se dice que una máquina tiene una excitatriz de
respuesta rápida cuando, siendo su tensión nominal de 200 voltios, la
elevación del voltaje es al menos de 600 volt/seg o relacionado con la
tensión nominal, de 300% seg.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
164
La figura 5.10 muestra la curva de la tensión en los bornes de un alternador
que sirve como definición que ha sido adoptado universalmente de la
velocidad de respuesta nominal de una excitatriz.
Estando la máquina en circuito abierto y regulada para dar su tensión
nominal Un a la velocidad normal, se pone bruscamente en cortocircuito la
resistencia de reglaje y se traza la curva U=f(t). Se toma Δt=0,5 seg,
trazando además una recta tal que las dos superficies a y b sean iguales. La
relación ΔU/Δt es la velocidad de respuesta nominal que viene expresada en
voltios por seg.
Si se quiere mantener constante la tensión en los bornes de una generatriz,
es necesario que el sistema de excitación este provisto de un elemento que
sea capaz de influir sobre la intensidad de corriente, y preciso también que
la variación de esta corriente sea tan rápida como ello es posible. Si se
designa por E la tensión aplicada a los bornes del arrollamiento de
excitación, por L la inductancia de este arrollamiento y por R su resistencia,
la velocidad de la variación de la corriente rotórica, durante los fenómenos
transitorios viene dada por la relación:
U
b
U
a
Un
t
t Fig.5.10 Curva que define la velocidad de respuesta de una excitatriz.
GENERADORES
165
tL
R
eL
E
dt
di
El cociente R/L es el valor de la constante de tiempo; en el instante t = 0 se
tiene:
di E
dt L
La velocidad inicial del aumento de la corriente depende entonces de la
tensión E y de la inductancia L, pero no de la constante de tiempo del
arrollamiento de excitación.
Supongamos que la corriente rotórica debe adquirir doble valor con la
mayor rapidez posible. Haciendo abstracción del fenómeno de saturación es
preciso entonces que la tensión desarrollada por la excitatriz adquiera
también un valor doble. Si este pudiera ser obtenido instantáneamente, la
corriente rotórica aumentaría según la ley exponencial conocida. El
crecimiento inicial que en numerosos casos es decisivo, se determina a partir
de la última ecuación; pero si el aumento de corriente fuera lento hubiera
que remediarlo con una elevación superior y momentánea de la tensión, la
cual se puede realizar de las dos maneras siguientes:
- Se aumenta la resistencia del circuito del rotor en la misma proporción que
la tensión de excitación, con lo cual se reduce la constante de tiempo del
circuito considerado y se aumenta la potencia en juego en el circuito de
excitación, pero a expensas de la excitación cuya potencia debe ser mayor.
Estas mismas consideraciones podrían ser aplicadas a la excitatriz misma y
en cierta medida al regulador.
- Se puede dar momentáneamente a la tensión de excitación un valor
superior al que debería tener al final de período transitorio. Este método
exige disponer de aparatos de regulación especiales y que son aplicados
corrientemente cuando las potencias en juego son importantes.
5.6 TIPOS DE EXCITACIÓN3
5.6.1 Excitación por medio de una excitatriz (autoexcitada en
derivación) coaxial con el rotor del alternador, y con regulación de la
corriente por medio de reóstatos de campo de la excitatriz y del
alternador.- (Fig. 5.11) Este sistema tiene el inconveniente de que resulta
3 ZOPPETTI; Centrales Hidroeléctricas, Edit. Gustavo Gili, 1974. Pág. 212 y siguientes.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
166
inestable en la zona de regulación para bajos valores de la tensión, produce
sensibles pérdidas en los reóstatos de regulación y tiene una velocidad de
respuesta baja.
Por otra parte, no permite una regulación gradual afinada para bajos valores
de la tensión y de la corriente excitadora; en la zona inicial de aquellos es
muy inestable. La inestabilidad se acusa especialmente con cargas cuyo
factor de potencia se aproxime a la unidad, y sobre todo en el caso de
subexcitación, que se manifiesta cuando el generador esta en servicio sobre
redes muy capacitivas.
En la figura 5.11 se muestra la característica en vacío de una excitatriz
autoexcitada. La máquina reacciona con más o menos velocidad según sea
la forma de la característica. En el caso supuesto la reacción es más rápida
para la curva b que para la a. El sistema descrito se emplea solamente en
generadores de reducida potencia.
5.6.2 Excitación por medio de un grupo de excitación coaxial con el
rotor del alternador constituido por una excitatriz, excitada con otra
auxiliar (excitatriz piloto), es decir, una excitatriz con excitación
separada.- Este sistema es el normalmente empleado en los alternadores
modernos por que con él se elimina el reóstato de campo del generador, se
obtiene una mayor amplitud de regulación y se consigue mayor rapidez de la
variación del flujo inductor del alternador, también se aumenta la
sensibilidad de regulación, por cuanto esta se efectúa sobre un circuito
secundario (regulable con facilidad y provisto de una graduación muy fina).
Fig. 5.11 Esquema de
excitación de un alternador
con excitatriz autoexcitada Característica en vacío de una
excitatriz autoexcitada
GENERADORES
167
Fig. 5.12 Esquema de excitación de un alternador, por medio de una excitatriz
excitada por otra auxiliar (Piloto).
5.6.3 Excitación de cada generador por medio de un grupo de
excitación independiente, constituido por una excitatriz principal y otra
auxiliar, coaxial, movida mediante un motor eléctrico o una turbina
auxiliar (o también por el propio eje del alternador con engranajes
multiplicadores).- Este sistema se emplea con alternadores de gran
potencia, coaxiales con las turbinas hidráulicas de reducido número de,
revoluciones, en las cuales las excitatrices coaxiales precisan dimensiones
prohibitivas y tienen una elevada constante de tiempo. Es corriente el
empleo en estos casos, de excitatrices movidas por el eje del alternador y por
medio de un juego de engranajes multiplicadores. La excitatriz va, como es
natural, colocada junto al alternador.
El dimensionamiento de la excitatriz debe ser amplio para obtener un cierto
margen con eventuales sobrecargas. En los grandes alternadores se aconseja
dimensionar la excitatriz de modo que durante breves instantes pueda
suministrar puntas de corrientes y de tensión dobles de las nominales, es
decir, puntos de potencia cuádruple a la potencia nominal. En esta forma es
posible utilizar la excitatriz como motor para la medida de las pérdidas en
vacío del generador.
El hecho de que se pueden obtener pequeñas constantes de tiempo con
excitaciones que giran rápidamente, constituye en ciertos casos un
argumento para el empleo de excitatrices separadas y especialmente cuando
se trata de grandes máquinas con marcha lenta. La energía cinética de los
grupos de excitación debe ser bastante grande para que no pueda producirse
un descenso en el suministro de la corriente de excitación, aun en el caso de
una breve bajada de la tensión de la corriente que alimenta el motor. Sin
embargo, con el empleo de la protección a distancia de las redes, el riesgo
por lo que este extremo se refiere queda alejado, por cuanto la mayoría de
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
168
los defectos quedan eliminados en menos de 0,5 segundos.
Debido también a esta rapidez para la desaparición de los defectos no tiene
objeto la superexcitación para el mantenimiento de la estabilidad transitoria
del sistema al producirse un cortocircuito. la superexcitación exigía
excitatrices cuya rapidez de elevación del voltaje era de unos 6000 volt/seg.
Se comprende pues que el costo de la excitatriz crezca a medida que se
desea aumentar el valor de la velocidad de repuesta nominal ΔU/Δt.
Como resumen, es necesario indicar que el sistema clásico de excitatriz con
excitación separada satisface todas las exigencias que demanda la práctica,
siempre que se empleen reguladores que cumplan su misión en forma
adecuada.
5.6.4 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MAGNÉTICA
(Fig. 5.13)
Tiene la característica de ser de costo bajo, no tiene partes en movimiento y
opera con sencillez en cualquier aplicación que no exija respuesta
instantánea. Para fines de regulación es tolerable cierto retardo, puesto que
el flujo magnético del alternador es de por sí lento en sus variaciones debido
a la enorme inductancia del circuito de campo. La amplificación mecánica,
es en general, más lenta que la magnética y, sin embargo, ha dado resultado
satisfactorio.
En la figura 5.13 se muestra un croquis de las principales conexiones del
equipo de amplificación magnética aplicada al excitador shunt E, provisto
de dos devanados adicionales de control C y D, que actúan alternativamente,
el primero para subir el flujo de E, y el segundo para bajar ese flujo. El
devanado F, con su reóstato R, suministra la tensión básica de excitación del
generador A y, además, funciona él solo en regulación manual. B es un
rectificador seco que recibe la tensión de A a través de los T.P.
indispensables y de los elementos de compensación de caída y corriente
circulante no representados, y la entrega rectificada al amplificador A1,
donde es comparada con la tensión de referencia TR, en forma diferencial.
GENERADORES
169
Fig. 5.13 Excitador con amplificación magnética.
El residuo es sustituido por una corriente tomada de la línea de servicio
especial T.S., de volumen mucho mayor que entra rectificada al amplificador
doble A2, por una u otra de sus entradas, según que la tensión A sea mayor o
menor que la normal, y que sustituida en cada caso por nuevas corrientes
tomadas de la misma línea T.S., son aplicadas a los devanados C y D a
través de los interruptores y de rectificadores incluidos dentro del cuadro del
amplificador 2. la operación es, en resumen, como sigue: Si la tensión de A
baja, el devanado C recibe una corriente poderosa que refuerza la acción de
F, la corriente de campo de A aumenta y su tensión se recupera. Si por el
contrario, la tensión de A sube, entonces el devanado D, enrollado en
sentido contrario a F, recibe corriente y reduce el flujo de E, baja la
excitación de A y su tensión normal queda restablecida.
Por conveniencia para los amplificadores la línea T.S. es de frecuencia
varias veces mayor que la de A y su corriente proviene de un generador
magneto multipolar, impulsado por motor eléctrico. Además, los núcleos de
los amplificadores están mantenidos en un estado de saturación, adecuado y
necesario para su operación, por la misma corriente amplificada que pasa en
un solo sentido por cada devanado, gracias a los rectificadores cuádruples
asociados a cada amplificador.
5.6.5 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MECÁNICA
(Fig. 5.14)
La palabra amplificación debe ser interpretada como la sustitución
proporcional e inmediata de una corriente de energía baja por otra de
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
170
energía mayor. Proporcional significa similitud entre las características de
variación de la corriente producida y de la consumida. Inmediata no quiere
decir con retardo nulo sino con un intervalo suficientemente pequeño para
ser tolerado en las aplicaciones ordinarias, ya que no es físicamente posible
cambiar en un instante el valor de los elementos en que descansa la
amplificación cuando esta no es del tipo electrónico.
El origen de la amplificación no es el de generar potencias grandes sino el
de gobernar corrientes de alta energía por medio de reguladores muy
sensibles, rápidos y delicados. En consecuencia, si no hay necesidad de
regulación automática precisa, no tiene objeto el empleo de amplificadores.
Fig. 5.14 Excitadores con amplificación mecánica.
La figura 5.14 muestra el principio de la excitación con amplificación en el
piloto P, el cual tiene varios devanados, en general uno o dos de control C,
uno de base B y un tercero, complementario o compensador, no
representado. Su armadura está conectada al devanado de campo adicional
D del excitador principal E, de tipo shunt, pero con dos arrollamientos
polares independientes D y F, de los cuales F es el que proporciona la
excitación básica, mientras D actúa como modificador, elevando o
reduciendo la tensión aplicada al campo de A. Del alternador, y mediante
transformadores de potencia T.P. se deriva una corriente trifásica o
monofásica, que es rectificada primero y luego comparada con la intensidad
de una referencia de cualquier tipo, sea peso, resorte, o una corriente fija TR,
(en el caso de la figura), que proviene de una batería especial. Si de la
comparación resulta que la tensión de A es más alta que la normal, el
devanado C recibirá una corriente débil, pero suficiente para hacer que P
GENERADORES
171
produzca otra corriente varias veces mayor, que, al circular por D, reduzca
el flujo y la tensión de E hasta lo necesario para que la tensión de A
descienda al valor normal. Si la tensión de A es más baja que la normal, otra
corriente pasará por C y al ser amplificada y pasar por D, la tensión de E
subirá, así como la de A. Es posible que las dos corrientes que pasan por C
en uno y otro caso sean de sentido contrario, y que la polaridad de P se
invierta, haciendo D una función de oposición o ayuda respecto a F; pero
también pueden ser ambas del mismo sentido pero de diferente magnitud y,
sin cambiar la polaridad de P. producir un efecto de oposición de D más o
menos grande respecto a F.
Todo depende del tipo de reguladores donde se establece la comparación
entre el potencial de A y la referencia, así como del tipo de amplificación
que tenga P. En condiciones favorables, la regulación de potencial de A será
tan precisa como el regulador que se use, por que cualquier discrepancia que
este aparato reciba, y a la cual responda, será amplificada cientos de veces
produciendo una reacción vigorosa en contra de ella. Si se tiene un
amplificador de dos grados, puede hacerse la amplificación con una sola
máquina, capaz de efectuar dos amplificaciones sucesivas que, en conjunto,
representen la acción combinada del amplificador P y del excitador E. El
amplificador recibe la corriente que viene del regulador y entrega otra
mucho mayor al campo del alternador.
5.7 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN
El sistema más conocido para regular la tensión de un generador excitado
por dínamos, es el reóstato de campo, insertado en serie con el devanado y
la fuente de excitación. La regulación puede ser voluntaria a mano,
voluntaria remota o automática. La primera se hace con reóstatos provistos
de un manubrio o perilla al alcance de la mano en el frente del tablero; la
segundo puede hacerse con reóstatos lejanos comunicados por cables de
acero, cadenas o varillas giratorias, al volante de acción manual, aunque la
mejor es usar reóstatos motorizados, es decir, accionados por motor eléctrico
acoplados a una reducción de velocidad que transmite el pequeño esfuerzo
del motor amplificándolo hasta llegar al eje de una palanca de contacto. Para
que al llegar a los extremos la palanca no se descarrile, o el motor se frene
con los topes, hay interruptores auxiliares que cortan la corriente del motor
cada vez que el operador quiere mover la palanca más allá del límite, pero
dejando libre el circuito de regreso del motor.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
172
La regulación voluntaria es usada durante el período de sincronización en
todas las plantas, y como único sistema en generadoras locales, no
interconectadas, con carga muy poco variable y capital invertido mínimo;
pero no es recomendable ni eficiente en los generadores interconectados o
de servicio de primera clase, los cuales debe tener la regulación automática.
Sea de un modo o de otro, la regulación puede ser practicada en tres lugares
diferentes:
a) En el campo del alternador, Cuando el sistema de excitación es común y
la tensión de la planta de corriente continua no debe salir de ciertos
límites, el reóstato es indispensable en el campo de cada alternador.
También es necesario cuando el excitador individual es Shunt y no
puede bajar su tensión lo suficiente para excitar, a tensión reducida y sin
carga en el alternador, o con carga capacitiva.
b) En el campo del excitador. Cuando Este es de excitación separada o
Shunt y no importa que su tensión sea variable.
c) En el campo del piloto. Cuando los excitadores son individuales, tienen
excitación separada y reciben la corriente de campo de un piloto
general.
Es claro que, para cada caso, el reóstato es de dimensiones diferentes, con
resistencia máxima y disipación distintas. La resistencia se determina por la
fórmula.
c
c
e RI
VR ohms.
En la cual, R es la resistencia del campo donde se intercala el reóstato; I la
corriente de campo limitada; V la tensión de la fuente de donde se toma la
excitación y R la resistencia total el reóstato que se busca.
El valor de R es posible de determinarse mediante un voltímetro y un
amperímetro conectados a los terminales, estando la máquina en reposo para
evitar los errores debidos a perturbaciones magnéticas rotacionales, y
usando la corriente máxima de excitación. Cuando no es posible la prueba,
se calcula Rc tomando el 90% del cociente de los voltios nominales de
GENERADORES
173
excitación entre los amperios de campo a plena carga, si se trata de
alternador o de excitador de campo separado, y el cociente de voltios tope
entre amperios tope, en excitadores Shunt.
Los tipos de regulación automáticos son varios; entre algunas figuran las
siguientes:
5.7.1 REGULADORES REOSTÁTICOS CON CONTACTOS
RODANTES
Un regulador de este tipo es construcción Brown Boveri y ha sido adoptado
universalmente por las grandes ventajas que reporta. Se denomina regulador
de acción rápida
Su funcionamiento aparece representado en la figura 5.15. Una Bobina T
ejerce sobre su armadura un esfuerzo de tracción que depende de la fuerza
aplicada a sus extremos, y opuesta a esta acción se encuentra el esfuerzo de
un contrapeso G. El movimiento de la armadura hace funcionar el cursor del
reóstato W.
Se admite que el esfuerzo
de tracción en el campo
utilizado, de la bobina T,
es independiente del
camino recorrido, es decir
que el esfuerzo de la
bobina T y el contrapeso G
se equilibran en cualquier
posición cuando la tensión
alcanza su valor de
consigna.
Fig. 5.15 Disposición esquemática del
regulador de tensión de acción rápida
Desde que una u otra fuerza arrastra el núcleo, el sector se mueve hacia
arriba o hacia abajo. Si por ejemplo, la tensión del alternador aumenta, la
punta del sector se desplaza hacia arriba y provoca la inserción de
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
174
resistencias en el circuito shunt de la excitatriz para hacer volver la tensión
del alternador al valor necesario.
Hay que observar que un regulador constituido por los elementos reseñados
no sería estable. Debido a la inercia magnética de los circuitos considerados,
la variación de tensión del alternador, sigue con un cierto retardo la de la
tensión excitadora. Cuando la tensión del alternador haya alcanzado su valor
prefijado, la variación de la tensión de excitación habrá sido demasiado
importante, por lo que la tensión del alternador sobrepasará la tensión de
consigna, y ello dará origen al movimiento del regulador en sentido opuesto
y la repetición del proceso en sentido contrario, es decir, se establecerá el
penduleo.
Para obtener una regulación estable, o lo que es lo mismo, para llevar el
regulador por una oscilación amortiguada, a la posición correspondiente al
nuevo estado de equilibrio, se lo provee de un dispositivo de retorno elástico
que produce un estatismo temporal, cuyo dispositivo comprende un
amortiguador D y un resorte de retorno F. En estado estacionario, el resorte
F está aflojado y la palanca H se encuentra en su posición media con
relación al sector.
La construcción del regulador Brown Boveri de sectores rodantes, que
difiere parcialmente de la representación esquemática de la figura 5.15,
viene dada por la figura 5.16, que representa un aparato para corriente
alterna. El aparato se compone de tres partes principales:
1. El sistema que produce la fuerza necesaria al desplazamiento de los
sectores.
2. De la resistencia de regulación que determina la corriente de
excitación.
3. Del dispositivo de retorno a su posición primitiva, elástico, y del
sistema amortiguador, que está acoplado a aquel.
El sistema motor del regulador esta basado en el principio de Ferraris y
comporta principalmente un tambor de aluminio c que se mueve en el
campo giratorio del núcleo del hierro e que lleva los dos arrollamientos, a y
b. El tambor móvil va montado sobre un eje terminado en dos puntas de
acero templado. Estas puntas giran en pivotes de piedras finas, o en
cojinetes de bolas de gran precisión. En uno de los extremos del eje va
fijada la extremidad interior del resorte principal f, mientras que su
extremidad exterior está unida al barrilete, el cual puede hacerse girar por
GENERADORES
175
medio de un tornillo r1. El resorte adicional n, que actúa por medio de una
palanca arqueada, tiene por objeto completar el par del resorte principal, con
el fin de obtener un par que permanezca constante sobre todo el dominio
utilizado o que presente estatismo, generalmente de un 6%. La resistencia en
forma de espirales y cada elemento está conectado a una lámina de los
caminos de rodamiento l. Estos caminos, cuyo número es 1, 2 o 4, según el
tipo del regulador, van dispuestos en arco de círculo alrededor del eje del
aparato. Los sectores de contacto s, se desplazan sobre la superficie interior
de dichos caminos de rodamiento. Sus puntas de acero templado son
guiadas prácticamente y sin frotamiento desde el eje del regulador y por los
resortes de apoyo, con piedras finas d.
Fig. 5.16 Regulador de Tensión
Los elementos principales del dispositivo de retorno elástico son los
resortes, q, fijados al sector amortiguador, p, que puede moverse
independientemente, y el disco amortiguador o con sus dos imanes
permanentes m. Sector y disco amortiguador van acoplados por el segmento
dentado del sector y el piñón del disco. El Galet-entrenador h, sirve de
acoplamiento entre el dispositivo de retorno y el eje del sistema móvil:
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
176
desplazando la tuerca r2 se puede modificar la distancia con relación al eje,
y por consiguiente, la pendiente de la característica que representa el par de
frenado en función del ángulo de desplazamiento. Variando la superficie
abrazado sobre el disco o por los imanes m, se puede hacer variar el esfuerzo
del frenado ejercido por los imanes sobre el disco. Estas dos posibilidades
de regulación permiten adaptar perfectamente el aparato a la inercia del
sistema regulado.
La tensión de servicio deseada se obtiene por medio de una resistencia
adicional U (figura 5.16); se puede así modificarla entre ciertos límites,
moviendo debidamente el barrilete por medio del tornillo r1, se prevé un
reóstato de puesta a punto, separado, y en serie con la resistencia U. Ésta
permite ajustar el regulador a la tensión deseada, pudiendo asimismo (por la
resistencia regulable u, conectada igualmente en serie con el arrollamiento
del sistema, y graduable por el cursor x) hacer que la tensión impuesta por el
regulador dependa también de la corriente del alternador; R, es una
resistencia auxiliar.
Cuando se desea que la tensión en los bornes del alternador no se mantenga
constante, pero sí en el extremo de la línea de transporte, será preciso hacer
actuar también la intensidad de la corriente, por que la caída de tensión que
debe corregirse es función de dicha corriente.4
5.7.2 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN POR MEDIO DE
TRANSISTORES
El transistor es en la electrónica un elemento irreemplazable en los circuitos.
Su empleo en diversas aplicaciones comprueba las múltiples ventajas que
ofrecen, una de ellas, es la construcción de los reguladores de tensión en los
alternadores de gran potencia.
Desde el punto de vista dinámico, una desaparición de la carga en el
extremo de una larga línea de transmisión impone severas exigencias al
regulador de tensión. Este caso, especialmente exige una desexcitación tan
rápida como sea posible del alternador, lo cual sólo puede lograrse por una
fuerte excitación negativa, obligada y mandada por el regulador. La salida
positiva y la salida negativa del escalón de potencia del regulador se han de
prever para la misma potencia.
4 Zoppetti G. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, Edit. G. Gili, 1974 Pag. 216
GENERADORES
177
La figura 5.17 muestra el esquema del principio del dispositivo de la
regulación de voltaje según al sistema Brown Boveri. Se trata de la
regulación de las máquinas de 115 MVA de Grossio (Milán), equipadas con
reguladores de tensión de transistores. El amplificador con montaje
simétrico Y alimenta los arrollamientos de la excitación de las excitatrices
rápidas B1 y B2, que son movidas por el motor C y van montadas en serie.
Ellas a su vez alimentan el arrollamiento de excitación de la excitatriz
principal E. En el caso que nos ocupa el motor C y el rectificador N se
alimentan por el circuito H1 conectado al alternador, o por la red auxiliar H2
de la central. Cuando es posible se usa con preferencia un alternador auxiliar
montado en el extremo del árbol del alternador para alimentar C y N. tres
retornos contribuyen a la estabilización del circuito de regulación. Si las
condiciones de la red lo imponen, el regulador de tensión por transistores
puede en cualquier instante combinarse con un limitador W del ángulo de
desfase interno de la rueda polar. El arranque y la desexcitación de los
alternadores se efectúan bajo la dependencia del reglaje automático de la
tensión, en caso necesario. El paso del servicio manual al servicio
automático o viceversa es posible en cualquier instante, y se efectúa sin
sacudidas si el ajuste ha sido correcto.
En la citada figura son:
B1 y B2 Excitatrices rápidas.
N Rectificador de alimentación.
Fig. 5.17 Disposición para la regulación de tensión en los generadores síncronos
por medio de transistores.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
178
C Motor de accionamiento.
K Dispositivo de alimentación.
E Excitatriz Principal.
Q Báscula e inversor.
G Alternador.
Y Amplificador simétrico de transistores.
T Transformador que alimenta la red H1.
P1 Potenciómetro de arranque.
H1 Red auxiliar de la tensión del alternador G
P2 Potenciómetro de ajuste del alternador G.
W Limitador del ángulo de desfase.
H2 Red auxiliar general.
W Limitador del ángulo de desfase interno de la rueda polar.
S - A Comparador de los valores real y prescrito.
UG, IG Tensión y corriente del alternador.
Los reguladores con transistores han demostrado en la práctica su
importancia, no sólo por sus características dinámicas de regulación, sino
por que procuran una gran seguridad en el servicio encomendado y por su
sencillez, cumplen pues, todas las exigencias que se imponen en la
explotación moderna de centrales.
5.7.3 REGULACIÓN DE TENSIÓN POR TRANSDUCTORES
Por amplificador magnético se designa un piso completo de amplificación
que comprende transductores, los cuales son elementos activos compuestos
de uno o varios circuitos ferromagnéticos, cerrados, provistos de
arrollamientos y de enderezadores. Según su utilización o su estructura,
constituyen reguladores de amplificadores intermedios, o de órganos de
regulación
Debido a que los amplificadores magnéticos pueden construirse para
potencias muy importantes,. el regulador de tensión con transductores se
emplea ventajosamente cuando las excitatrices auxiliares se consideran
inadecuadas y entonces el regulador debe actuar directamente sobre la
excitatriz del alternador. En este caso se utiliza una cascada de
amplificadores que permite, a pesar de la gran potencia de salida, efectuar la
comparación entre el nivel prescrito y el valor real aun bajo nivel de
potencia; asimismo procura un tiempo corto de respuesta. El escalón de
salida puede buscarse en una serie de amplificadores magnéticos de potencia
GENERADORES
179
y ello permite una fácil adaptación a cualquier excitatriz.
La excitación de la excitatriz se realiza por un arrollamiento en serie, pero
lleva además dos arrollamientos separados para la excitación, los cuales
actúan en sentido contrario e intervienen solamente para dar a la tensión el
valor requerido.
El regulador comprende una cascada de tres amplificadores en montaje
simétrico, cuyas salidas van a los dos arrollamientos citados.
En la entrada del primer escalón amplificador se introduce la diferencia de
tensión correspondiente a la separación entre el valor prescrito y el valor
real, y también los efectos de tres retornos diferenciales para la
estabilización del regulador.
Fig. 5.18 Excitatriz Planta Santa Rosa (Zongo)
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
180
Fig. 5.19 Generador Planta Botijlaca
