Estatismo generador

1)Regulación de velocidad:

hay muchas maneras de aprovechar la energía generada por el agua al golpear los alabes de una turbina, puede ser por sistemas que operan con turbinas girando a velocidad constante o con sistemas girando a velocidad variable esto debido a la energía generada o la existencia o no de control de velocidad en el generador.

1.1)Sistemas que operan a velocidad variable:

no causan inconvenientes ni daños al sistema, la velocidad solo se ve afectada por la carga impuesta a la máquina.

1.2)Sistemas que operan a velocidad constante:

estos sistemas operan a velocidad constante para no dañar el generador ni los equipos y maquinas que operan con corriente alterna. Dada a que la frecuencia (f) es directamente proporcional a la velocidad de giro del alternador una variación en la velocidad genera una variación en la frecuencia del sistema (fsist).

1.3)Efectos a una operación a baja frecuencia:

motor eléctrico(puede malograrse por exceso de corriente, el motor no arranca), lámpara fluorocente (no enciende, menor iluminación), alternador (caída de tensión en el sistema y sobrecalentamiento).

1.4)Efectos negativos a operación de alta frecuencia:

lámpara incandecente (duran menos), motores (puede averiarse), alternador (puede dañarse por exceso de velocidad).

Aquellas centrales hidroeléctricas sin sistema de regulación de velocidad, una variación en la demanda producirá una variación en  la velocidad de la turbina, es decir girara a una velocidad diferente de la síncrona causando variación en la frecuencia y en la tensión de línea por ello es necesario instalar un sistema de regulación de velocidad en la turbina.

2)Regulación de velocidad mediante regulación de caudal:

para tener una velocidad constante del grupo generador, con una demanda variable es necesario que P.Ingreso= P.Sal + Perdidas este equilibrio se logra regulando la cantidad de agua que ingresa a la turbina pues al producirse un aumento en la demanda, se abrirá la válvula de ingreso de agua ocacionando que la P.Generada = P.Demandada.

2.1) Regulación Manual: Se utiliza en microcentrales P50kw>

2.2) Regulación Automática:

proporciona un sistema con f y V (tensión) estables, este sistema se emplea cuando existen grandes fluctuaciones en la demanda, utiliza reguladores de volicidad oleomecanicos este sistema es usado para centrales de P>100kw.

Elementos Principales de los reguladores Oleomecanicos:

A)Péndulo:

es un contrapeso que gira a una velocidad proporcianal al giro de la turbina, su función es captar variaciones en la velocidad y transmite un movimiento para el cierre o apertura del paso de agua a la turbina.

B)Bomba de Aceite:

es un sistema de cierre o apertura, el paso de agua se realiza mediante un circuito con aceite a presión la cual trabaja con 1 o más bombas de desplazamiento positivo, tal como poleas las cuales son movidos por la turbina por medio de fajas y poleas.

C)Válvula de distribución de aceite:

distribuye el flujo de acite hacia una dirección el cual puede tratarce de un cierre o apertura del paso del agua y su posición es controlada por el péndulo.

D)Servomotor:

es un cilindro hidráulico que ejerce fuerza sobre los órganos reguladores de caudal de la turbina (distribuidor o válvula de aguja), como los dispositivos distribuidores de aceite no pueden mover los elementos reguladores de caudal es necesario un elemento que amplifique la fuerza de la presión de aceite proveniente de las bombas de desplazamiento positivo.

D.1) Mecanismo de retroalimentación:

es un mecanismo que interrumpe a tiempo el curso de reulacion y lleva a la válvula a su posición de equilibrio consiguiendo estabilidad de la velocidad de la turbina en un tiempo reducido.

D.2) Cuerpo Regulador:

Características técnicas del regulador de velocidad:

Velocidad de giro del péndulo (rpm)-- velocidad de giro de la bomba de aceite tiene accionamiento magnético independiente del péndulo--

Carrera del servomotor (m):

es la distancia que puede recorrer el pistón del servomotor para variar la posición del mecanismo de admisión de agua desde marcha en vacío hasta plena carga--

Capacidad de trabajo (kg-m):

es la máxima fuerza que se requiere para accionar el mecanismo de admisión de agua a la turbina por la carrera del servomotor--

Regulación o ajuste de la velocidad(%):

es el rango de velocidades donde el regulador funciona satisfactoriamente--

Estatismo permanente(%):

es la diferencia relativa de  velocidades en vacío y a plena carga y varia entre 0 a 6%--

Constante de tiempo del sistema de amortiguación del retroalimentador:

tiempo que demora el pistón del retroalimentador en recorrer todo su carrera por acción del resorte--

Tiempo de cierre(seg):

tiempo que emplea el servomotor para cerrar completamente el mecanismo de admisión de agua este varia entre 3 y 15seg.

3)Regulación de velocidad por regulación de carga:

En este sistema el grupo generador entrega potencia constante, es decir no hay regulación de caudal de agua, pero el grupo debe generar una P>o=P.Demandada , el exceso de portencia generada se disipa en forma de calor atraves de una resistencia.

3.1)Regulación Manual:

es poco usada, requiere de un banco de resistencias que el operador conectara o desconectara según aumente o disminuya la fsist, la ventaja de este sistema es que el operador puede realizar esta regulación desde su casa sin la necesidad de estar en la casa de fuerza, es útil para microcentrales.

3.2)Regulación Automática de carga:

llamada también sistema de regulación electrónica de carga, es usado en centrales de P=>

Ventajas respecto al regulador oleomecanico:

simplificación del diseño de las turbinas, menor costo, operación mantenimiento sencillo, no produce sobrepresiones en la turbina de presión, fácil fabricación, mayor rapidez de respuesta a cambios de carga.

Composición DE LOS REGULADORES Automáticos DE CARGA:

A)Fuente de poder:

toma la energía del alternador y la suministra en corriente continua CC y el voltaje requerido por todos los circuitos electrónicos que componen el regulador.

B)Unidad de control y protección:

es el corazón del regulador, consiste en los circuitos sensores de: f, V y corriente I. Ademas contiene los relés, interruptores y fusibles de protección.

C)Unidad de potencia:

contiene los circuitos de disparo para regular la energía disipada en la carga secundaria. Ademas contiene los tiristores y relés en caso deregulacion digital.

3.3)Regulación continua o Analógica:

se logra mediante tiristores o rectificadores de control de silicona (SCR), los cuales permiten el paso de la corriente hacia la carga segundaría, solo cuando se recibe una pulsación de paro que proviene del circuito de control de disparo. El proceso de control de frecuencia se realiza comparando la f del alternador con una señal de referencia, se compone de 2 valores y se emite una señal diferencial que va a un circuito integrado de control y luego a un circuito de disparo, cuando hay variación en la carga habrá variaciones de la frecuencia, entonces la señal es diferente de cero se producen variaciones hasta que la f vuelva a estabilizarse.
Desventaja (al cortar las ondas de corriente provocan interferencia en las señales de radio en la zona

)

3.4)Regulación escalonada o Digital:

es muy similar a la continua la diferencia radica en que no se corta la onda de corriente  de valor nulo, por ese momento se conectan o desconectan cargas resistivas. Estas cargas de valor fijo, por lo general se utilizan cargas de valores diferentes con la finalidad de que el regulador tenga amplio margen de combinaciones mas adecuadas.
Ventajas sobre los sist. De reg. Continua (al no cortar las ondas de corriente y realizar regfulacion por escalones, no se producen interrupciones en las ondas de radio

)

4) Generador Sincrono: Es una maquina primordial en las unidades de generación

4.1)Velocidad síncrona

Es la velocidad de giro de la maquina que permanece invariable y origina en la CA la frecuencia síncrona. La velocidad rotativa es dada por la maquina.

4.2)Principio de Operación

Un generador síncrono tiene bobinado de campo excitado por CC y la tensión en la armadura es alterna, de ahí la denominación alternador.

Razones por su uso:

Cuando el alternador opera en paralelo con otro existente de un sistema monofásico, en aplicaciones de potencia baja P<30kva cuando="" se="" opera="" el="" crecimiento="" futuro="" de="" la="">30kva>

El alternador trifásico tiene 3 fases distanciadas 120 grados entre si y sus tipos de conexión son conexión estrella y conexión triangulo.

El sistema trifásico es el mas difundido por:

es el mas económico y simple de producción y consumo de energía eléctrica, tiene motores eléctricos mas simples, menos pesados y mas eficientes que el monofásico.

Excitatriz:

es el generador auxiliar que prevee de corriente al campo.

4.3)Construcción: Por la ubicación del Campo

A)Armadura rotativa:

es el campo estático y sus componentes son idénticos al generador de CC, el colector esta formado por anillos rozantes, esta limitada a bajas potencias debido a la dificultad de dar salida con escobillas a su corriente generada y altos pesos de sus bobinados.

B)Campo rotativo: Constituida por el rotor es el mas fabricado

Por el uso de Escobillas:

A)Con escobillas:

se usa en los alternadores de corriente de excitación pequeña la cual se inyecta por medio de las escobillas a la excitatriz.

B)Sin escobillas:

se usan los rectificadores de silicio  que dan lugar a que el generador este compuesta por: un alternador de campo rotativo como fuente de potencia, una alternador de armadura rotativa trifásica como excitatriz, un pueste rectificador con diodos de silicio que vuelve continua la corriente producida por la excitatriz y excita el campo del generador.

4.4)Regulación de tensión:

para un trabajo adecuado de una microcentral que no se conectan a otras redes de energía eléctrica es necesario un control de la tensión de salida la cual se logra manteniendo la tensión en estrechosvalores.

Pues la reacción de armadura producido por el paso de la corriente por la carga y su factor de potencia hacen caer el valor de la tensión generada.

4.5)Regulación automática de Tensión (AVR):

su función es mantener la tensión constante a cualquier condición de carga dentro del valor nominal aun cuando hay variación de velocidad (5%). Toma como señal la tensión de salida del alternador, la compara y emite la corriente continua por la excitatriz necesaria para mantener la tensión.

4.6)División de un AVR EN circuitos operativos:

A)Circuito sensor y comparador: Toma la señal  y compara con una referencia y detecta el error

B)Circuito amplificador de error y control de disparo:

traduce el error y luego se emite una señal de disparo al tiristor.

C)Circuito de control de potencia:

toma la potencia del alternador y la señal de disparo, rectifica la corriente que se aplica al compo de la excitatriz para corregir la variación de tensión.

D)Circuito de estabilidad: Realimenta la señal para saber si la corriente de excitación es la apropiada

E)Circuito de protección por baja velocidad motriz:

este circuito sensa la frecuencia y ante una disminución de f por debajo de la nominal deja pasar menos corriente de excitación de manera que la tensión de salida disminuya proporcionalmente a la caída de velocidad. Este sistema fue contruido para generadores sin escobillas por su reducida P.Excitación que demandan las excitatrices. Los niveles de regulación de tensión se encuentran en valores de 1.5 0 -1.5% hasta 0.25 o -0.25%.

Calibración:

aumentando la longitud del entrehierro en el circuito magnético de la reactancia para aumentar la tensión de salida , variando la posición a la derivación de vueltas de la reactancia hacia el nivel de tensión que se desea.

5) Acoplamiento Eléctrico de Alternadores:

el único acoplamiento que permiten los alternadores es en paralelo ya que el de serie no es estable. En este se logra que el alternador 1 cuya fem esta adelantada suministra corriente al alternador 2, y el alternador 2 se comporta como motor síncrono, debido a la mayor potencia que ha de suministrar el alternador 1 se retraza hasta alcanzar nuevamente la velocidad de sincronismo, la potencia sincronizadora actúa haciendo el ángulo de retraso se reduzca a cero produciendo una coincidencia en las fases de los 2 alternadores 

5.1) Condiciones que deben cumplir para el acoplamiento de alternadores:

en CC basta con igualar la tensión en los bornes pero en CA deben tener igual magnitud máxima de tensión, mismo periodo y que exista igual coincidencia en las fases de tensiones o fem, estas condiciones para  el caso de acoplamiento de alternadores que funcionen en vacío ya que no suministran corriente a la red exterior.
Si en el caso de2 generadores de los cuales 1 esta en servicio y el otro sin carga no es necesario que las magnitudes y las fases de sus fem coincidan.

La situación de las fem depende de la posición respectiva de sus cargas polares, con respecto a las bobinas de su respectivo inducido. Se deduce en relación con respecto al retraso de los vectores de los fem que cuando 2 alternadores iguales trabajen en paralelo llevando cada uno su carga respectiva, el funcionamiento será a condiciones normales, cuando exista una diferencia de fase entre los fem, en el circuito formado por los 2 alternadores circula una corriente, originaria de la potencia sincronizante que tiende a mantener el sincronismo  es deceir en el momento que de coincidencia de los 2 vectores de las fem repectivas (ángulo=0). Pero esto será en el caso de que los alternadores funcionen acoplados y sin variar la excitación .

2 alternadores trabajndo con carga y las fem están retrasadas mutuamente:

se produce una corriente denominada de compensación, que no interviene en la forma que la hace lo corriente sincronizante.

5.2)Maniobra para el acoplamiento:

lo primero que se debe hacerse una vez puesto en marcha el grupo que se va acoplar es actuar sobre el regulador de la máquina para conseguir que la frecuencia sea igual en los otros alternadores en funcionamiento.

Para determinar esta frecuencia se usa los frecuenciometros los cuales tienen el siguiente principio de funcionamiento:
Una serie de lengüetas vibrantes de acero esta sometida a la acción de CA, cada uno de estas tiene un cierto periodo de vibraciones, si una legueta recibe sacudidas magnéticas entrara en vibración cuando la frecuencia coincida con el periodo propio de la lengüeta excitada, entonces la chapita blanca que corona dicha lengüeta ofrecerá una imagen amplia y visible de la distancia.

Los frecuenciometros suelen tener 2 escalas (frecuenciometros dobles):

su función es de apreciar las frecuencias existentes en los grupos en funcionamiento y el alternador que se va acoplar.
Las lecturas de ambas indican como debe actuarse sobre el regulador de la maquina motora del generador que se va acoplar con el fin de disminuir o aumentar el numero de revoluciones y obtener la igualdad de dichas frecuencias conseguido esto se excita el alternador por medio de su reóstato hasta alcanzar la tensión de los demás alternadores que están en marcha.

Acoplamiento por el método de lámpara encendida:

solo solamente con invertir las conexiones que salen de los transformadores de medida estarán en oposición de fases y entonces el momento de coincidencia de fases se obtendrá cuando la lámpara tiene su mayor brillo.

En vez de lámparas para determinar la coincidencia de fases, se utilizan muy a menudo aparatos llamados sincronoscopios.

Sincronoscopio para el acoplamineto en paralelo:

cuando no existe sincronoscopio las 3 lamparas se encienden y apagan sucesivamente pero el sentido de apagado depende de la frecuencia del alternador que trata de acoplarse, ya al conocer en que sentido se produce el apagado cuando existe mayor o menor frecuencia en el grupo que se acoplara. Las lámparas se instalaran detrás de un vidrio y de esta forma aparece una sombra que gira en uno u otro sentido con mayor o menor velocidad. (necesita disponer de alta tensión, disponer de transformadores trifásicos de medida)

Principio de funcionamiento regulador Oleomecanico:

Suponiendo que el péndulo (9) detecta un aumento de la velocidad de la turbina, las masas (M) se sepa- ran y la varilla (9a) se mueve hacia la derecha haciendo que el punto (9b) descienda. Al descender el punto (9b), manda la válvula de distribución (10) al cierre. En ese momento, parte del aceite en el ser- vomotor (4) va por el conducto (15) hacia el cárter (14), reduciendo la presión sobre el lado izquierdo del pistón (5) y éste, por acción del resorte (6) se desplaza hacia el cierre. Al mismo tiempo, el meca- nismo de retroalimentación actúa al desplazarse la cuña (11) hacia la izquierda y elevar el cilindro (21) mediante la varilla (22). Al ocurrir esto, el aceite a presión empuja el pistón (20) hacia arriba, Este movimiento es transmitido por la varilla (22) y com- prime el resorte (23). Luego este resorte fuerza al pistón (20) a descender, la cual es facilitado por los pequeños orificios que éste tiene para que el aceite pase de un lado a otro del pistón.Durante este tiempo disminuirá la velocidad de la turbina debido al menor caudal de agua que utiliza y el punto (9b) vuelve a su posición original, con lo cual la válvula de distribución (10) vuelve a su punto de equilibrio.

A nivel mundial, existen varios fabricantes de reguladores de velocidad por regulación de caudal. Algunos de los más importantes son: Escher Wyss, Voight, Woodward, Neyrpic, etc. La mayor parte de los reguladores fabricados por estas compañías co- rresponden a una escala mayor, y los que pueden incluirse en el rango de las microcentrales son excesivamente costosos.

Con el objetivo de desarrollar reguladores de velocidad más simples y de menor costo, que puedan' adaptarse a la escala de las microcentrales hidroeléctricas la SKAT (Swiss Centre for Appropriate Technology) desarrolló y probó un regulador mecánico hidráulico, que utiliza el agua de la tubería de presión para accionar el servomotor que controla el caudal de agua en la turbina. Los resultados obtenidos en las pruebas realizadas en una micro- central hidroeléctrica de 30 KW usando una turbina Michell-Banki.

Si bien estos resultados pueden satisfacer los requerimientos de muchos usuarios de microcentrales hidroeléctricas, hay que mencionar que el mantenimiento de este regulador requiere de mucha aten- ción, en especial el filtro de agua del regulador, que se recomienda limpiar por lo menos una vez por semana.