Generadores

GENERADORES
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CAPÍTULO VIII
GENERADORES
8.1
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. 8.1. 1
Fig. 8.1 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. 8.2), los cuales, tienen características muy
diferentes según sean accionados por turbinas lentas o rápidas. Hasta un
1
DAWES CHESTER, Corriente Alterna; Edit Gustavo Gili. 1974 Pág. 167.
230
CENTRALES ELÉCTRICAS
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, se fijan los arrollamientos de corriente continua
destinados a crear el campo correspondiente.
Fig. 8.2 Generador
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. 8.3 Generador Planta Botijlaca(Zongo)
GENERADORES
231
8.2
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
Voltios
200 - 300 - 400 - 600 - 800- 1200- 1600- 2000
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
232
CENTRALES ELÉCTRICAS
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 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.
8.3
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 está compuesto por las
siguientes partes.
8.3.1 ESTATOR O INDUCIDO
Fig. 8.4 Estator Planta Rea-Rea (Colquiri)
Inducido y Polos.
233
GENERADORES
El estator u órgano fijo del alternador hace casi siempre de inducido
(Fig. 8.4), 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 8.5 (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 el ancho mayor 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.
a)
b)
c)
Fig. 8.5 Segmentos estampados para estator: a) Baja velocidad; b) para
accionamiento para turbina de vapor; c) Segmento para conducto de
ventilación.
234
CENTRALES ELÉCTRICAS
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
8.3.2 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. 8.6 y 8.7), y todo este
conjunto está muy bien constituido para evitar destrozos causados por las
elevadas fuerzas centrífugas.
Fig. 8.6 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,
2
DAWES CHESTER; Corriente Alterna, Edit. Gustavo Gili, 1974, Pág. 178
GENERADORES
235
frecuentemente aisladas con mica, fijadas a altas temperaturas.
Fig. 8.7 Bobinas de piezas polares.
8.3.3 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.
8.4
FACTOR DE POTENCIA3
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. 8.8 Diagrama Vectorial de un alternador para factor de potencia cos θ y
corriente retrasada.
3 Zooppeti Gaudencio, CENTRALES HIDROELÉCTRICAS. Edit. G.Hill 1983
236
CENTRALES ELÉCTRICAS
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. 8.8).
Debido a las 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  próximo a la unidad.
Para mejorar el factor de potencia es necesario disminuir la energía
reactiva consumida por el conjunto de los receptores, comprendidos los
transformadores.
Fig. 8.9 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
GENERADORES
237
quienes tienen a su cargo la parte de la producción de la energía.
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.
8.5
EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES3
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
CENTRALES ELÉCTRICAS
238
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.
La figura 8.10 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. 8.10 Curva que define la velocidad de respuesta de una excitatriz.
GENERADORES
239
R
di E  L t
 e
dt L
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.
8.6
TIPOS DE EXCITACIÓN4
8.6.1 Excitación por medio de una excitatriz (autoexcitada en
4
ZOPPETTI; Centrales Hidroeléctricas, Edit. Gustavo Gili, 1974. Pág. 212 y siguientes.
240
CENTRALES ELÉCTRICAS
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. 8.11) Este sistema tiene el inconveniente de que resulta
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.
Fig. 8.11 Esquema de
excitación de un alternador
con excitatriz autoexcitada
Característica en vacío de una
excitatriz autoexcitada
En la figura 8.11 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.
8.6.2 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 porque 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
GENERADORES
241
sensibilidad de regulación, por cuanto esta se efectúa sobre un circuito
secundario (regulable con facilidad y provisto de una graduación muy
fina).
Fig. 8.12 Esquema de excitación de un alternador, por medio de una excitatriz
excitada por otra auxiliar (Piloto).
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 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.
242
CENTRALES ELÉCTRICAS
8.6.3 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MAGNÉTICA
(Fig. 8.13)
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 8.13 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.
Fig. 8.13 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
GENERADORES
243
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.
8.6.4 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MECÁNICA
(Fig. 8.14)
La palabra
amplificación debe ser interpretada como la sustitución
proporcional e inmediata de una corriente de energía baja por otra de
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.
244
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 8.14 Excitadores con amplificación mecánica.
La figura 8.14 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 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.
GENERADORES
245
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.
8.7
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.
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:
246
CENTRALES ELÉCTRICAS
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.
R
Ve
 Rc ohms.
Ic
En la cual, Rc 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 Rc 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 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:
GENERADORES
247
8.8
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 8.15. 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.
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
resistencias en el circuito shunt de la excitatriz para hacer volver la tensión
del alternador al valor necesario.
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. 8.15 Disposición esquemática del
regulador de tensión de acción rápida
248
CENTRALES ELÉCTRICAS
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 8.15,
viene dada por la figura 8.16, 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
medio de un tornillo r1. El resorte adicional n, que actúa por medio de una
GENERADORES
249
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. 8.16 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
250
CENTRALES ELÉCTRICAS
móvil: 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 8.16); 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 manteng
a constante, pero sí en el extremo de la línea de transporte, será preciso ha
cer actuar también la intensidad de la corriente, por que la caída de tensión
que debe corregirse es función de dicha corriente.5
Fig. 8.16 (a) Tablero de control con reóstato de campo
5 Zoppetti G. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, Edit. G. Gili, 1974 Pag. 216
GENERADORES
251
8.9
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.
La figura 8.17 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:
252
CENTRALES ELÉCTRICAS
B1 y B2 Excitatrices rápidas.
N Rectificador de alimentación.
Fig. 8.17 Disposición para la regulación de tensión en los generadores
síncronos por medio de transistores.
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
GENERADORES
253
sencillez, cumplen pues, todas las exigencias que se imponen en la
explotación moderna de centrales.
8.10
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 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.
254
CENTRALES ELÉCTRICAS
Fig. 8.18 Excitatriz