Microcentral con red aislada (4): Infraestructura y equipos

Microcentral con red aislada (4): Infraestructura y
equipos eléctricos
Fernando Lizárraga Roncal
Daniel Garcı́a Galindo
ISF Aragón
12 Mar 2003
Resumen
Análisis de las diferentes opciones de regulación, haciendo hincapié en las más sencillas y económicas.
Índice
4.1 GENERADOR
1
4.2 REGULACIÓN
4.2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Necesidades de regulación en generadores sı́ncronos
4.2.3 Regulación mecanico−hidraúlica de la velocidad .
4.2.4 Regulación mecanico−hidráulica de la carga . . . .
4.2.5 Regulación electrónica . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
3
3
4
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4.3 TRANSFORMACIÓN Y RED .
Introducción . . . . . . . . . . . . . .
Detalles técnicos . . . . . . . . . . . .
Sistemas de protección . . . . . . . . .
Detalles de acometida de obra . . . . .
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4.4 ÚLTIMAS OPERACIONES DE VERIFICACIÓN .
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4.1 GENERADOR
La consideración de este punto también está estrechamente relacionada
con los recursos disponibles y el tipo de demanda a abastecer. Por ejemplo, en los 17 proyectos familiares de Misiones se utilizaron generadores
1
asincrónicos autoexcitados con capacitores. En algunos casos se instalaron
motores de 5 kW, y de 1.000 r.p.m. Estos motores, aunque sobredimensionados en relación a la potencia hidráulica disponible, permiten mediante el
acople de un pequeño volante, el funcionamiento de heladeras o freezers. En
Misiones, en los proyectos colectivos de mayor envergadura (mayores que 10
kW) −por ejemplo el Tarumá, con 40 kW y 56 familias usuarias− se utilizaron generadores sincrónicos del tipo brush−less con regulación electrónica
de tensión. Esto se debió a la necesidad de garantizar la estabilidad de la
tensión, especialmente cuando las frecuencias superan los 50 Hz.
En la elección de los motores asincrónicos, es importante tener en cuenta
algunos detalles constructivos como el de tener el menor espacio posible o
entrehierro entre el rotor y el estator. Esta particularidad poseen generalmente los motores modernos construidos con alta tecnologı́a de matricerı́a.
También influye facilitando la excitación, el tipo de material utilizado en
el eje del motor. Es importante contar con la posibilidad de ensayar en laboratorios los generadores asincrónicos existentes en el mercado local para
conocer sus limitaciones y poder seleccionar los motores que presentan las
mejores caracterı́sticas.
Aunque estos tipos de generadores presentan problemas relacionados con
la regulación y estabilidad de tensión y no son adecuados para el arranque
de motores de inducción de potencias superiores a la mitad de la potencia
del generador, los generadores asincrónicos tienen la gran ventaja de ser
sencillos, de bajo costo y fácil mantenimiento.
Una consideración necesaria cuando se adquieren generadores sincrónicos
con regulación electrónica para ser utilizados en microturbinas es la necesidad de realizar dos importantes modificaciones. Una es sobredimensionar
los rodamientos del generador para poder utilizar un acople a la turbina por
medio de poleas y correas. La otra es modificar al regulador electrónico de
tensión de tal manera, que debajo de los 50 ciclos la tensión baje proporcionalmente a la frecuencia, mientras que sobre los 50 Hz mantenga estable la
tensión.
La necesidad de esta modificación se debe a que cuando no se especifica
la calidad de los núcleos de hierro de los equipos, y se adquieren equipos de
mala calidad como transformadores de tensión y generadores, las pérdidas
en el hierro son muy elevadas cuando las frecuencia del generador baja de
los 50 Hz. Esto lleva a que el generador debe sobreexcitarse excesivamente
si pretende mantener la tensión estable en 380 V en frecuencias inferiores a
los 50 Hz. Este problema no se nota en los grupos con motores diesel porque
en este caso, la reacción y disponibilidad de potencia es inme−diata y el
generador siempre trabaja en el entorno de los 50 Hz.
Para mayor confiabilidad, y debido a las modificaciones que de cualquier
modo hay que realizar en los generadores del tipo brush−less, es conveniente
solicitar a la empresa constructora del generador que coloque los rodamientos adecuados y que se entregue el generador sin el regulador electrónico de
2
tensión. Este elemento deberı́a ser construido por los responsables de construir los reguladores electrónicos de frecuencia y de tensión. Al diseñar el
regulador de frecuencia se debe conocer el tipo de generador a utilizar y su
forma de regular la tensión.
no de polos
2
4
6
8
10
12
14
50 Hz
60 Hz
3000
1500
1000
750
600
500
428
3600
1800
1200
900
720
600
540
no de polos
16
18
20
22
24
26
28
50 Hz
60 Hz
375
333
300
272
250
231
214
450
400
360
327
300
277
257
4.2 REGULACIÓN
4.2.1 Introducción
Desde la invención del regulador de masas giratorias en 1785 por James
Watt, muchos han sido los avances en el campo de la regulación. Hoy se ha
llegado a estandarizar el uso de reguladores automáticos prácticamente en
cualquier tipo de maquinaria. Las opciones de regulación son pues inmensas
y de todo tipo: complicadas y sencillas; mecánicas o electrónicas; de ajuste
fino o grosero; de corto tiempo de respuesta o largo; caras o baratas; etc.
En cualquier caso se van a presentar opciones sencillas y no demasiado
caras, que, igualmente conllevarán un control más rudimentario de la onda
eléctrica producida en el generador. No pretenden más que sentar las ideas
básicas del control. Por ello no son acompañadas del desarrollo y cálculo
matemático.
4.2.2 Necesidades de regulación en generadores sı́ncronos
En base a las explicaciones del apartado 4.1 acerca del generador sı́ncrono
en red aislada, será necesaria la regulación de la velocidad de giro del mismo,
y por lo tanto de la turbina hidráulica a la que está acoplado, en nuestro
caso una turbina Banki−Michell.
La producción de electricidad con una serie de especificaciones es una de
las más difı́ciles cuestiones de diseño a superar en el diseño de una microturbina. La corriente para la que están preparados la mayorı́a de los aparatos
tiene como caracterı́sticas una frecuencia estable de 50 Hz (60 Hz según el
paı́s en que nos encontremos) y un determinado voltaje, que 220V, 380V ,
etc.
3
Los aparatos requieren una corriente de este tipo, que no oscile más
allá de un (10 % en frecuencia y voltaje. Por ejemplo, un motor preparado
para 220V al que se le alimenta con 198V, lı́mite inferior del margen de funcionamiento, buscará satisfacer las necesidades de carga que se le impongan.
Para aportar la potencia necesaria, con una cantidad menor de voltaje, se
requerirá un aumento en la intensidad. Con ello se pueden crear problemas
de sobrecalentamiento y dañar los bobinados de forma permanente.
El funcionamiento fuera de la banda hertziana recomendada supone también la creación de condiciones de sobrecalentamiento, debido a fenómenos
con la reactancia e impedancia. No vamos a entrar en este análisis. La conclusión realmente importante es que se precisa operar los generadores en una
banda de voltaje y frecuencia próxima a la establecida. Ello determinará el
buen funcionamiento de los equipos conectados y su esperanza de vida.
Para la conexión a red se precisarı́a de controles más exactos. En este
proyecto se propone como objetivo primordial electrificar en red aislada
zonas de pequeñas comunidades que por cuya ubicación en un territorio
concreto, y por la coyuntura sociopolı́tica de su región o paı́s, no habrı́an de
optar al beneficio de la red eléctrica más que con el paso de muchos años.
Por ello la cuestión de adaptabilidad de la electricidad generada a la red no
se toma como un requisito primordial.
Cabe resaltar el comentario de que no se pretende una regulación exacta.
Un equipo de regulación de este tipo completo para una microcentral podrı́a
rondar un precio de 5 millones de pesetas, lo cual, respecto al resto de los
elementos de la instalación es un gasto inadmisible.
4.2.3 Regulación mecanico−hidraúlica de la velocidad
La regulación en velocidad en las microcentrales hidráulicas pueden ser
solucionadas de muchas formas. Hay un dispositivo sencillo que proviene de
la revolución industrial, y que permitió los primeros pasos en la regulación,
como fue por ejemplo la máquina de vapor. Este dispositivo bien conocido
se muestra en la figura adjunta y se trata del regulador de masas giratorias
inventado por James Watt en 1785.
El dispositivo se conecta desde su parte baja, acoplándolo a la salida del
motor por medio de un reductor conveniente o un sistema de engranajes.
Cuando la velocidad se incrementa, las masas esféricas ascienden debido al
aumento de su fuerza centrı́fuga. Como se aprecia en la figura, las esferas
arrastran una corredera, que desliza sobre el eje central de giro. De esta
forma, al aumentar la velocidad, las esferas se separan y ascienden, elevando
a su vez la corredera. En la parte superior existe una prolongación de los
brazos en los que se sujetan las masas. Estos se encuentran articulados, cayendo esta última manivela sobre el propio eje. Es un mecanismo de palanca
que se encarga de elevar o disminuir la altura de una barra que se conecta
con el acelerador de la máquina.
4
Figura 1: Regulador de masas giratorias inventado por James Watt
De esta forma, cuando la máquina se comienza a poner en marcha, el acelerador se encuentra totalmente abierto, proporcionando una mayor potencia
para acelerar la máquina. Poco a poco la máquina se acelelera, de forma que
las esferas giran aumentando su fuerza centrı́fuga, y por consiguiente desplazándose en sentido vertical. Esta elevación supondrá una actuación sobre
la barra conectada con el acelerador, cerrando poco a poco el mismo. Con
ello se llega a un punto de equilibrio.
En el caso de que se aumente la carga, existirá una desaceleración, y
bajarán las esferas, con lo que el acelerador se abrirá más y permitirá la
entrada de combustible acelerando la máquina hasta el punto de equilibrio.
El caso contrario ocurre en el caso de que se disminuya la carga y aumente con ello la velocidad. Esta es una forma de regular la velocidad de un
mecanismo.
Los reguladores mecánicos actuales operan de un modo similar a los que
se diseñaron hace ya tanto tiempo.
El dibujo de arriba muestra la versión mecánico hidráulica del primer
regulador de Watt. Lo único que ha cambiado a lo largo del tiempo son los
mejores materiales, y mecanismos de masas giratorias mejor desarrollados.
También, hoy dı́a se han desarrollado reguladores que permiten regular
velocidades mayores gracias a los nuevos mecanismos de conexión entre el
regulador y el control de la máquina. El principio es el mismo: una vez
que acontece un cambio en la velocidad (punto 1 de la gráfica), el regulador
intentará alcanzar el punto de diseño (punto 2), llamado set point. Lo normal
es que existan unas oscilaciones en la búsqueda de este punto, es decir, si
aumenta la carga, la velocidad decrece. El regulador aumenta la potencia del
acelerador para alcanzar el set point. Una vez que llegue a este, el mecanismo
no se detendrá de forma instantánea (punto 3), de forma que superará la
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Figura 2: Versión mecánico hidráulica del primer regulador de Watt
velocidad deseada. Por el propio mecanismo, una vez superado este punto, se
disminuye la potencia, de manera que buscará el punto óptimo reduciendo
la apertura del acelerador. Ası́ seguirá oscilando hasta que se alcance el
equilibrio (punto 4). Se puede apreciar una curva tı́pica de este fenómeno.
Los reguladores modernos usan elementos como realimentaciones, cámaras de presión y reguladores por aceite. Hay dos tipos de reguladores usados
hoy dı́a: los mecanico−hidraúlicos y los electrónicos. Los primeros operan
de la misma forma que los descritos anteriormente, con la salvedad de que
operan sobre válvulas hidráulicas que son las encargadas de actuar en el acelerador. Los electrónicos, producen una pequeña señal de voltaje, llamada
de control, que se encarga de accionar otros mecanismos de potencia. Estos
reguladores electrónicos pueden llegar a ser realmente pequeños. Un ejemplo es la apertura de las compuertas en turbinas de grandes presas, para las
que con un control electrónico, se gobiernan sistemas capaces de vencer las
toneladas que ejerce el agua sobre las compuertas.
4.2.3.1 Regulador básico con Compensación primaria
La búsqueda del punto de referencia es originada por el sobrepasamiento
de parte del pistón del servomotor, provocando el movimiento de las compuertas de la turbina más allá de lo que requerı́a el cambio de carga. Esto,
como ya se ha comentado llevarı́a a una oscilación continuada, de manera
que, en el caso de que dicho movimiento fuera muy rápido se podrı́a crear
una situación de perpetua inestabilidad o vaivén.
6
Figura 3: Gráfica del comportamiento de la velocidad en reguladores que
permiten velocidades superiores a la normal
Lo que se propone es intercalar en el sistema de regulación algún tipo
de medida que permita anticipar dónde se encuentra el punto en el que el
pistón debe permanecer para afrontar una carga concreta. Se trata de que
al acercarse a este punto, se comience a cerrar el suministro de aceite, con
anterioridad a que el pistón llegue al punto. El conjunto que realiza esta
función es el llamado de compensación primaria.
La caracterı́stica fundamental es que la barra de conexión comienza a
situar la válvula (en el dibujo relay valve) en la posición neutra tan pronto
como el pistón del servomotor comienza a moverse, y de allı́ lo que se ha
llamado anticipación, o bien compensación primaria.
Ası́ que ahora la presión existente en el pistón del servomotor no es
simplemente debida al cambio de velocidad reflejado en las masas giratorias, sino también al cambio en el movimiento de la compuerta debido a la
compensación primaria. La posición de la válvula es función del cambio de
velocidad y el cambio de movimiento de la compuerta.
4.2.3.2 Regulador de velocidad con compensación primaria y secundaria
La primera figura muestra una parte del esquema, la segunda muestra
un sistema de compensación secundaria más en detalle.
Aunque la distribución posicional de los ele−mentos varı́a, se puede apreciar que la idea y el resultado es el mismo.
4.2.3.3 Regulador de Zúrich
El presente diseño utiliza la propia fuente de agua de la turbina para la
potencia hidráulica.
El diseño fue creado por el Instituto de Tecnologı́a de Fluidos de Zúrich.
7
Figura 4: Regulador básico con compensación primaria
Figura 5: Dibujo esquemático de un sistema de compensación secundaria
8
Figura 6: Dibujo detallado de un sistema de compensación secundaria
Figura 7: Dibujo esquemático del regulador de Zúrich
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Es llamado regulador proporcional. El principio de actuación está basado en
un sistema de doble válvula y en el principio del péndulo centrı́fugo.
Las válvulas se montan en serie, la primera con un orificio de área constante y la segunda con un orificio variable de descarga. Éstas crean una
presión variable en la lı́nea entre ambos, en función del área de descarga de
la válvula variable. El área de descarga puede ser variada por medio de la
posición de un pistón que se mueve en dirección axial.
Por otra parte el péndulo centrı́fugo mueve un émbolo en función de la
velocidad. Si se acopla el péndulo de masas giratorias a la salida del eje
de la turbina, y está conectado por medio de una palanca al pistón de la
válvula variable, se puede crear una presión proporcional a la velocidad de
la turbina.
Un pistón, conectado a la puerta de la turbina y un contrapeso por medio
de un resorte, está sometido a esta presión variable, y por ello la posición de
la compuerta de la turbina queda determinada por la velocidad. Puesto que
una cierta abertura de la compuerta se corresponde con una cierta carga
(con altura constante se hace frente a la variación de carga modificando el
caudal), la velocidad de la turbina está determinando su condición de carga.
Si se suprime la carga de golpe, la velocidad aumenta. Ello produce un
movimiento en el péndulo de masas, y con ello en el émbolo correlativo. Ello
hace moverse al pistón de la válvula variable, que conlleva un descenso en
la presión del pistón del servo cilindro. La compuerta de la turbina se cierra
hasta equilibrarse el cilindro y el resorte de cierre, quedando ajustada la
apertura de la compuerta a la nueva posición.
En el caso que se conecte una carga sucede lo contrario. Si sucede una
pérdida de presión en el tubo de suministro por averı́a, se cierra la compuerta
totalmente y la turbina queda fuera de servicio.
El sistema se diseñó para una variación máxima en velocidad de un
10 %. Tras probar el prototipo en Nepal se vio que tenı́a una capacidad de
regulación suficiente como para regular en un margen de un 5 %, un valor
más que aceptable.
Estos equipos de regulación mecanico−hidraúlica requieren de mucho
espacio, al contrario de los reguladores comerciales. La clave de elección
está en realizar un proyecto asumible económicamente y sostenible.
4.2.4 Regulación mecanico−hidráulica de la carga
La regulación de la entrada de caudal de agua a la turbina puede terminar siendo una tarea compleja. Por ello, se puede realizar una regulación
de la carga aplicada a la red. El concepto consiste en operar la turbina
Banki−Michel de forma continuada y en el punto óptimo de funcionamiento. El caudal será un parámetro fijo.
Al no existir regulación de caudal, la cantidad de potencia producida es
constante (y por funcionar en el punto óptimo, es la máxima). Si acontece
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una disminución en la carga de los beneficiarios a los que se les da soporte,
la turbina tenderá a embalarse. Para evitarlo se pretende aumentar la carga
eléctrica conectando baterı́as de resistencias, calentadores de agua, bombas
para elevación de agua, etc.
La propuesta es la siguiente: en base a un regulador de Watt, cuando aumente la velocidad, ascenderán las masas, desplazando verticalmente
la corredera. De esta forma se puede activar de forma mecánica (por desplazamiento de una escobilla de conexión) las diferentes cargas necesarias.
Llegará un momento en el que la carga será mayor que el par recibido en la
turbina por el paso del agua, con lo que comenzará el movimiento de retorno
tı́pico de las oscilaciones.
Puede realizarse una compensación primaria como la explicada en el
apartado anterior. Ası́ la conexión de baterı́as u otros elementos no se realizarı́a solamente por medio del avance de la corredera del regulador de Watt,
sino que en cuanto existiera un movimiento, comenzarı́a a actuar directamente otro elemento.
4.2.5 Regulación electrónica
El campo de la electrónica ofrece una inmensa cantidad de soluciones. La
gran cantidad de elementos y funciones hacen que no haya que plantearse
tanto el qué se quiere resolver en concreto, sino especificar el cómo: tipo
de tecnologı́a, robustez, facilidad de arreglo... Cabe citar que la presente
regulación se podrı́a realizar por lógica analógica de potencia, circuitos de
tiristores, lógica digital con señales de control que dominen los circuitos
de potencia, control por microprocesadores o PALs, control por autómata
programable o por medio de un interface de ordenador personal.
4.2.5.1 Regulación electrónica de la carga
La idea es la misma que la explicada en el punto 4.2.4. Se trata de añadir
cargas cuando la demanda de energı́a de los beneficiarios disminuye. Se debe
realizar de una forma sencilla. A continuación se presenta una idea simple y
realizable.
Se trata de detectar los aumentos en la velocidad del generador que
se traducen en sobretensiones. Se acoplan transformadores de tensión en
la rama de salida del generador. Cuando existe un aumento de tensión, se
transforma al secundario a un nivel de voltaje pequeño, y se compara en
una etapa diferencial realizada con amplificadores operacionales. La salida
de este se compara con un nivel establecido, por ejemplo1 a 2 voltios. Según
sigue aumentando el voltaje a la salida del generador, igualmente aumenta la
tensión a la salida de la etapa diferencial, hasta superar el lı́mite establecido.
Una vez que eso ocurre, la salida del comparador cambia y se pone en alto
(o bajo según se haya implementado) conectando un interruptor (o relé) que
conectará a la red la baterı́a de resistencias asociada.
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Con la misma señal del transformador se alimentan el resto de etapas
comparadoras, que se han escalonado convenientemente. Ası́, si la tensión
continúa subiendo, se irán conectando sucesivamente más y más cargas hasta
que se estabilice.
Puede ser conveniente dotar al sistema de un ciclo de histéresis con un
tiempo de ciclo apropiado, con el fin de que si se produce una oscilación en
torno a un punto de voltaje que hace conectar y desconectar continuamente
el relé, se pueda evitar su deterioro, prolongando unos segundos el encendido
o apagado.
Figura 8: Circuito de regulación electrónica de la carga
4.2.5.2 Reguladores de frecuencia
Para tres o más usuarios ya se hace necesario algún tipo de regulación de
tensión y de frecuencia. Si no se puede afrontar el costo que demanda instalar
un regulador, se deberá mantener una carga o demanda fija de energı́a, esto
significa que en cada vivienda la carga debe mantenerse constante o sin
variaciones considerables. Esta es la opción más económica y sencilla de
regulación.
Un proyecto colectivo con muchas unidades usuarias, debe funcionar con
un regulador de frecuencia, y un regulador de tensión del generador. La
carencia de estos elementos ocasionarı́a muchos problemas a los artefactos
electrodomésticos y en los sistemas de iluminación. Se puede afirmar que
en casi todos los proyectos a lo ancho y largo de varios paı́ses, uno de los
problemas que siempre está presente es la inestabilidad de tensión y el mal
funcionamiento de los reguladores de frecuencia.
La experiencia en Misiones es la siguiente Los reguladores de frecuencia diseñados en Misiones sufrieron las consecuencias de los efectos de las
descargas eléctricas y la mala calidad o confiabilidad de los componentes
electrónicos disponibles localmente. Los reguladores electrónicos finalmente
construidos, luego de una serie de modificaciones en el desarrollo de nuestra
experiencia, han dado un resultado excelente y un costo aceptable (1.000 a
12
3.000 US$). Estos reguladores disponen de un control de arranque y parada,
mediante un sistema de telemando por onda portadora que utiliza la lı́nea
de baja tensión como medio de transmisión de la señal y permite accionar
el sistema desde 2 ó 3 km de distancia.
Si bien uno puede pensar que el desarrollo de reguladores no es una
tarea muy complicada para un ingeniero capacitado, puede llegar a requerir
muchos esfuerzos, tiempo y dedicación. Si no se dispone de un equipo de
profesionales y laboratorios adecuados, es aconsejable adquirirlos en aquellos
paı́ses con probada experiencia y calidad.
El coste de un regulador estará dado en gran medida, por la precisión que
tiene mantener estables la frecuencia y la tensión. No obstante, es necesario
acotar las tolerancias que se deben observar respecto del nivel de precisión,
prestación y confiabilidad de los equipos reguladores para mantener estables
la frecuencia (47−53 Hz), y la tensión ( 200−235 V). En este tema hay que
acotar que los dos elementos a regular, frecuencia y tensión, varı́an según
la calidad y prestación de los equipos, cuanto mayor es su calidad, menor
es la diferencia con los valores nominales de frecuencia y tensión (50 Hz,
220 V). Lo que un regulador de frecuencia y de tensión no debe permitir
es que la tensión sobrepase los 230 V y que la frecuencia del generador se
mantenga por debajo de los 50 Hz durante un tiempo prolongado. Ambas
situaciones provocan daños en los artefactos electrodomésticos y sistemas de
iluminación.
Para el diseño de reguladores se deberá tener en cuenta las variaciones
del caudal del recurso hı́drico. Si el recurso es variable y escaso en algunas
temporadas (perı́odos de sequı́as), el regulador deberá ser del tipo de flujo
variable debido a que habrá que poder economizar agua en los perı́odos de
seca.
Los responsables de iniciar el desarrollo de proyectos con microturbinas
en una región, tendrán que evaluar si desarrollan sus propios reguladores
o si en la primera etapa, se adquieren de otros proveedores. En este caso
particular de los reguladores y generadores, se aconseja colocar lo mejor que
se disponga en plaza en los primeros proyectos y luego, sobre la base de esta
experiencia, considerar la posibilidad de encarar su desarrollo.
Microcentrales en Misiones
Los reguladores desarrollados en Misiones disponen de dos pequeños potenciómetros o elementos de regulación que permiten calibrar el funcionamiento del regulador. Uno de estos potenciómetros permite calibrar la frecuencia: en el entorno de los 50 Hz (entre +/− 1 a 5 Hz). Esta alternativa
permite que el sistema de frecuencia oscile , por las variaciones de la carga
entre, por ejemplo, 48 y 52 Hz sin que opere el regulador. El otro potenciómetro, permite regular la velocidad del servomotor evitando lo que se ha
dado en llamar oscilación del sistema. Muchas veces y por diversas razones
y causas el sistema no es estable y comienza a oscilar en el entorno de los
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50 Hz sin poder estabilizar la frecuencia.
En este caso, el potenciómetro que regula la velocidad del motor del
servo, permite adaptar el regulador de frecuencia a las caracterı́sticas operativas de un microaprovechamiento, reduciendo la velocidad de operación
y evitando el penduleo del sistema. Asimismo, si por el diseño de las poleas del servomecanismo o de la caja reductoras la respuesta del servo fuese
muy lenta este potenciómetro permite aumentar la veloci−dad de operación,
llevándolo a los valores adecuados para las condiciones de operación.
La lectura de la referencia de frecuencia para el regulador electrónico es
tomada en el eje de rotación del generador. La fuente para la operación del
servomecanismo del regulador proviene de una baterı́a de 12 Vcc y 100 Ah.
En un comienzo se acostumbraba registrar la frecuencia en la lı́nea de salida
del mismo generador pero, debido a las intensas descargas eléctricas que hay
en la región, y a la carencia de una adecuada protección y mantenimiento,
los equipos se dañaban frecuentemente y hubo que rediseñarlos para independizarlos del generador y evitar ası́ el efecto destructor de las descargas
eléctricas.
La particularidad de este regulador de frecuencia es que la regulación de
variaciones de pequeñas cargas ocasionadas por el consumo de los usuarios,
se realiza con resistencias de carga fija, comandadas por tiristores (en este
caso no opera el álabe regulado. Cuando la carga es mayor y la frecuencia
baja a 48 Hz o menos, actúa el sistema de servomecanismo que comanda el
álabe regulador de la microturbina, estabilizando la frecuencia en 50 Hz.
Debido a la deficiente prestación los componentes electrónicos debieron
ser sobredimensionados para compensar los posibles defectos de calidad. Si
no se cuenta con una confiabilidad aceptable de los componentes electrónicos disponibles, es preferible adquirir equipos con garantı́as de prestación o
recurrir a los reguladores mecánicos o hidráulicos.
Para proyectos donde la potencia no supera los 10 o 15 kW, y en los
cuales no hay problemas en la disponibilidad de agua, se pueden utilizar generadores asincrónicos con reguladores de frecuencia que por medio de cargas
y descargas de resistencias, mantienen estable la frecuencia, sin modificar el
caudal de agua que consume la microturbina.
En algunos proyectos pequeños, para mantener la estabilidad de la frecuencia también se puede usar reguladores mecánicos del tipo centrı́fugo o
regulador de Watt que accione la válvula o álabe regulador en la microturbina.
El servomecanismo que pudimos implementar en Misiones para controlar
el álabe regulador, ha sido un pequeño motor de corriente continua, utilizado
en los limpia−parabrisas o termoventiladores de automóviles, juntamente
con cajas reductoras, que reducen la velocidad a 1 ó 1/2 r.p.m. del eje del
álabe regulador de caudal de la turbina. Este detalle de no sobrepasar cierta
velocidad de rotación del álabe regulador es muy importante debido a que no
se puede reducir bruscamente el caudal en la microturbina por el problema
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mencionado anteriormente del golpe de ariete. Además, porque al cerrar
bruscamente el álabe regulador, en lugar de producir el efecto deseado de
reducir la rotación del rodete de la microturbina, producirá un incremento en
la rotación de la misma dificultando la operación de regulación del sistema
para estabilizar la frecuencia.
Para la operación del álabe regulador, es aconsejable utilizar un sistema
con servo−mecanismo similar al desarrollado por la SKF de Suecia. Con un
costo de 200 a 300$ dólares, dispone de un motor de bajo consumo y brazo
de regulación. Este tecnologı́a evita el problema de mecanismos muy voluminosos y de poca confiabilidad como los que contienen cajas, poleas, y correas
sinfı́n, etc. En los motores eléctricos utilizados en los servomecanismos, es
aconsejable evitar el uso de carbones (es−cobillas) porque requieren mucho
mante−nimiento.
Para disponer de una microturbina de tec−nologı́a sencilla, de bajo costo
y fácil ins−talación se desarrolló en Misiones un modelo denominado cajón
de 1 kW, cuyo costo total incluido el generador y el tablero, no supera
los 1.500 US$. Consiste en una pequeña microturbina con un genera−dor
asincrónico de 1.000 r.p.m. para proyectos de baja altura (1,5 a 3 m) con
pequeñas represas y sin necesidad de una infraestructura muy complicada.
Con estos modelos sencillos y económicos el montaje y puesta en marcha se
puede realizar hasta en un dı́a de trabajo.
4.3 TRANSFORMACIÓN Y RED .
Introducción
Se va a describir la problemática e instalación de equipos de transformación y de la red de distribución. No se va a plantear desde un punto de vista
de análisis de circuitos eléctricos. Se pretende dar una visión descriptiva.
Detalles técnicos
Según la distancia se utilizan lı́neas de baja tensión (380 y 220 V) hasta
una distancia aproximada de un kilómetro. Cuando esta distancia es superada se emplea media tensión: 13,2 kV para las lı́neas trifásicas y 7,6 kV
para el sistema denominado monohilo o con retorno por tierra.
El costo aproximado se puede estimar según el voltaje de la lı́nea: las
lı́neas de 13,2 kV es de unos 7.000 US$/km, valor que se reduce a aproximadamente 2.000 US$/km para las de 7,6 kV del tipo monohilo o re−torno
por tierra.
Para las lı́neas de 13,2 kV es conveniente el uso de lı́neas de aluminio,
generalmente de 25 mm de diámetro. Diámetros menores en aluminio no son
aconsejables, por la falta de flexibilidad del material en las ataduras.
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Para abastecer lugares distantes, el sistema denominado retorno por tierra es el más adecuado ya que permite grandes distancias entre postes, con
vanos de 600 m o más, lo que disminuye considerablemente los costos. En
estos casos, se utilizan los cables del tipo acerado, de 3 o 4 mm de diámetro,
utilizados en los alambrados. Es necesario disponer de buenas instalaciones
de conexión a tierra y realizar una doble bajada del neutro, cubiertas cada
uno por un caño galvanizado como protección para evitar que el cable de
bajada a tierra pueda ser desconectado o cortado.
En regiones de muchas descargas eléctricas, es fundamental para una
buena protección de los equipos instalar buenas conexiones a tierra. La medida eléctrica para determinar si una conexión a tierra es buena, se mide en
ohm, y su valor no debe superar los 10 ohm.
Para una mejor protección a la llegada de la sala de máquina y de las estaciones transformadoras, es conveniente colocar un conductor denominado
hilo de guardia o neutro en la parte superior de los postes, con una bajada
y conexión a tierra en cada soporte y a una distancia de 100 o 200 metros
de lo que se pretende proteger. Todas las lı́neas deben tener descargadores
eléctricos en las bajadas de los transformadores y a la salida de la sala de
máquina
Debido al problema de la denominada corriente de magnetización del
generador, los transformadores deberı́an ser de óptima calidad si el sistema
operará en frecuencias inferiores a los 50 Hz. Es fundamental que los núcleos
de hierro de los transformadores rurales sean del tipo de grano orientado, es
decir de bajas pérdidas en el hierro.
Según la climatologı́a y la microfauna existente en la zona, los postes sin
tratamiento no se mantienen por más de 5 años. En algunos proyectos se
construyeron las lı́neas de transmisión con el sistema de disposición de los
conductores en forma vertical. Esto, en alguna medida, ahorra las crucetas
e impide que se toquen los conductores de vanos muy largos en los perı́odos
de fuertes tormentas.
En el trazado de las lı́neas de transmisión, hay que considerar las distancias a recorrer para transportar la energı́a, si son trifásicas o monofásicas
y si se utiliza alta o baja tensión. En las regiones boscosas o de montaña
las lı́neas de transmisión de más de dos o tres kilómetros encarecen notablemente al proyecto, por lo que habrá que buscar las soluciones más sencillas
y económicas, tratando de que esto no signifique sacrificar mucho la calidad
del servicio.
La recolección de estos datos deberá ser realizada por un técnico especializado en el tema. Si el proyecto es de alguna complejidad, hay que pensar
que esta persona deberá realizar numerosos viajes durante los trabajos de
limpieza del terreno para proponer y/o realizar las modificaciones en la traza que se estimen necesarias. Esto no se debe tomar como una pérdida de
tiempo, puesto que es crucial asegurarse de que el lugar elegido sea el más
adecuado para que el emprendimiento satisfaga los objetivos planteados al
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decidirse su construcción.
Sistemas de protección
Los sistemas de protección del tablero de salida de la sala de máquina, de
los transformadores de alta tensión y de las lı́neas de transmisión, son los que
se utilizan generalmente en este tipo de instalaciones. Como protección en el
tablero, es importante la instalación de llaves termoeléctricas automáticas y
luego fusibles calibrados. En algunos casos, para abaratar el costo del tablero
no se coloca esta protección y solamente se dispone de la protección de los
fusibles. Esta situación se agrava cuando por falta de fusibles calibrados se
coloca cualquier cable de mayor diámetro que no protegerá adecuadamente
al generador en caso de cortocircuito.
Un problema principal de las protecciones puede ser debido a la gran
cantidad de descargas eléctricas durante las tormentas. En este caso, es
necesaria la protección de las instalaciones eléctricas de la sala de máquina.
En las lı́neas de alta tensión cercanas a la misma, o en los transformadores,
se debe colocar una bajada a tierra al hilo de guardia o neutro en cada uno
de los postes.
Además de colocar los tradicionales pararrayos de alta y baja tensión en
la salida de la sala de máquina, se acostumbra encintar con plomo, aluminio
u otro material, al cable de entrada, en una longitud de dos o tres metros. Se
conecta el mismo a una puesta a tierra independiente del sistema utilizado
dentro de la sala de máquina. Esto hace que la descarga se derive a tierra y
no penetre a la sala de máquina. También es conveniente conectar la tuberı́a
forzada a tierra en varios puntos de su recorrido.
En las lı́neas de baja tensión y especialmente cuando existen varios ramales de distribución, es conveniente la colocación de fusibles calibrados según
las cargas de cada ramal. Esto evitará que por problemas en las instalaciones
de un usuario, los demás se queden sin electricidad.
Para la protección contra las descargas eléctricas, es conveniente colocar
en la lı́nea trifásica de baja tensión en la entrada de la sala de máquina, y en
las zonas pobladas, un dispositivo que permite conectar la lı́nea directamente
a tierra hasta que desaparezcan las descargas.
En la sala de máquina se deberán unir todos los elementos metálicos a
una sola tierra.
Los fusibles de protección de alta tensión deben ser de buena calidad
a los efectos de evitar su accionamiento por efecto de pequeñas descargas
eléctricas. Es sumamente importante que no se coloquen fusibles de mayor
capacidad que los que están indicados en la placa de los transformadores o
generadores. Puede suceder que ante la falta de repuestos, se coloque lo que
se tiene, con las consecuencias que se pe−sentan cuando los generadores o
transformadores son recargados sobre su potencia nominal.
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Las protecciones o fusibles en las viviendas rurales deberán estar adecuadamente calibradas o reguladas de tal manera, que no permitan una carga
superior a la estipulada para cada vivienda. En Misiones, un proyecto desarrollado en esta región de Argentina, se instalaron llaves termomagnéticas
de 6 A como elemento de protección.
Es conveniente prever la colocación de medidores de energı́a a cada unidad usuaria. Esto además de ser fundamental para la investigación, y servir
para la regulación del consumo, brinda una base objetiva para establecer
una tarifa por el servicio que resulte más apropiada
Detalles de acometida de obra
El sistema de distribución de la energı́a eléctrica se compone de lı́neas
de transmisión de alta y baja tensión y de estaciones transformadoras.
Cuando una empresa constructora se presenta a una licitación para la
construcción de un proyecto hidráulico ya tiene que haber comprado el pliego de condiciones del proyecto y haber verificado detenidamente in situ la
factibilidad técnica y económica de lo que se está por licitar.
En el caso de las lı́neas, en los planos denominados de planialtimetrı́a o
topográfico (plano con las distancias y alturas del terreno) del pliego de condiciones, se indica el recorrido de la lı́nea, la altura de los postes, las alturas
mı́nimas con respecto al suelo, las rutas, los cambios en la dirección, etc.
La función de la inspección es verificar durante la construcción de la lı́nea,
que se cumplan las especificaciones del pliego y autorizar las modificaciones
o reformulaciones que sean necesarias y que no fueron consideradas en su
momento.
Esta posibilidad es muy frecuente debido a que en algunos casos el ingeniero o técnico que diseña la lı́nea, al disponer de la planialtimetria del
trazado de la misma, puede dibujar sobre el mismo plano todo el recorrido
de la lı́nea sin haber visitado el terreno. Si los planos diseñados en gabinete
no son verificados en campo o in situ, los responsables de construir la lı́nea
podrı́an encontrarse con serios imprevistos.
También el constructor puede cometer el error de no verificar los planos,
y ocasionar el surgimiento de problemas técnicos con graves consecuencias
económicas. Usualmente, en los replanteo de obras, se admite un incremento
del presupuesto de hasta el 20 %, si las razones son justificadas y previa
autorización del inspector responsable.
El trazado de la lı́nea sobre el terreno debe seguir las ondulaciones del
suelo y es necesario limpiar la vegetación y talar los árboles debajo la lı́nea.
Antes de proceder al llenado y compactación de todos los postes de las
lı́neas y de las estaciones transformadoras, es necesario verificar la correcta
profundidad de las excavaciones según las indicaciones del pliego. Asegurar la
correcta tensión o estiramiento de las lı́neas y verificar, la correcta instalación
de las puestas a tierra, las distancias mı́nimas a tierra en la parte más baja
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de la lı́nea de alta tensión, en especial en los cruces de rutas o caminos
vecinales.
La instalación de la fijación de las retenciones (muertos), los soportes de
las lı́neas, de la colocación en los empalmes de los denominados bi−metales
(morsetos) donde existen conexiones y ataduras de dos metales. También se
deberı́a asegurar la calidad y tipo de madera especificada en los pliegos, las
distancias mı́nimas a respetar, la instalación del hilo de guardia o neutro
cercanos a la sala de máquina y las estaciones transformadoras y la correcta
colocación de crucetas y aisladores.
4.4 ÚLTIMAS OPERACIONES DE VERIFICACIÓN .
Una vez finalizadas las obras e instalaciones, convendrá controlar que
las protecciones de los fusibles, tanto de la salida de la sala de máquina
como de los transformadores y ramales de las lı́neas, sean las correctas.
Hay que exigir la mejor calidad en los fusibles, especialmente en los de alta
tensión (kearney) que protegen a los transformadores. Si los fusibles son
de mala calidad, suelen actuar por efecto de pequeñas descargas eléctricas,
perjudicando el servicio y recargando los trabajos de mantenimiento.
Luego, es necesario realizar los ensayos de carga de funcionamiento, puesta a punto de los equipos y capacitación a los operadores y usuarios durante
un perı́odo de alrededor de un mes antes de proceder a la inauguración y
puesta en servicio de la central. Es imprescindible disponer de una copia de
los planos de las conexiones del sistema de equipos instalados en la sala de
máquina, con el objeto de que los encargados de operar la central puedan
hacer un seguimiento del sistema de conexiones de los cables en el caso de
un desperfecto.
En una primera instancia, es conveniente realizar el ensayo de las lı́neas
de baja y alta tensión con baja tensión y luego, incrementar la tensión en
forma gradual hasta su valor nominal, verificando en el tablero el consumo
de corriente en los amperı́metros de las tres fases. Esta operación se realiza
de este modo, previendo la posibilidad de que exista algún cortocircuito
en las lı́neas, en especial en las de alta tensión o en los transformadores.
Una vez ensayada la lı́nea con la tensión nominal, es conveniente dejarla
en vacı́o (sin carga), por un perı́odo de uno o dos dı́as. Puede suceder que
por ejemplo, algún aislador esté averiado y que el fallo no se detecte de
inmediato o durante el dı́a, por efecto de las altas temperaturas, pero, que
ante la humedad de la noche se manifiesten los inconvenientes.
Otro tema a tener en cuenta es la distribución de la carga en las tres
fases. Esto también se puede verificar en los instrumentos de lectura del
tablero. En el caso de que haya sido cargada una fase en exceso, habrá que
redistribuir las cargas del consumo hasta que se verifique que las tres fases
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tienen la misma lectura de consumo.
Cuando las lı́neas de baja tensión son muy largas (por ejemplo de 2
kilómetros) es conveniente verificar en carga, la lectura de tensión en el
extremo de la misma. Si es muy baja en la casa del usuario (200 v), habrá que
elevar la tensión a la salida de la sala de máquina (230 v.). No es conveniente
elevar demasiado esta tensión (240 v) debido a que los artefactos de los
usuarios que se encuentran más próximos a la sala de máquina, o incluso los
instrumentos de la misma, pueden ser dañados. En el caso de disponer de
lı́neas de alta tensión con transformadores, se deberá regular en los mismos,
la salida correcta de baja tensión. Generalmente, sólo los transformadores
trifásicos superiores a 10 o 20 kW. de potencia cuentan con dispositivos de
regulación.
También es conveniente verificar en carga, la temperatura de todos los
bornes de los cables de salida, de las fases de baja tensión del tablero en la
sala de máquina. Si los bornes no están debidamente ajustados, se producirá una elevación de la temperatura en las conexiones.
Los ensayos de recepción de los equipos a instalar deberán realizarse
estrictamente según las normas especificadas en el contrato de construcción.
Una de las pruebas de importancia es verificar la operación de la regulación
de frecuencia con la desconexión brusca de cargas y la protección contra
el embalamiento del generador en condición de descarga instantánea de la
carga nominal
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