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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
" DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE
UNA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA DE 100 KW "
JORGE HERNANDO MERA VELASCO
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN
DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
QUITO-JULIO-2000
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CERTIFICACIÓN:
CERTIFICO QUE LA PRESENTE TESIS HA SIDO
DESARROLLADA EN SU TOTALIDAD POR EL SEÑOR
JORGE HERNANDO MERA VELASCO, BAJO LA
DIRECCIÓN Y SUPERVISIÓN DE MI PERSONA.
Ing. Germán Castro,Macanéela.
DIRECTOR DE TESIS
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AGRADECIMIENTO
Deseo dejar constancia de mis más sincero agradecimiento al
Ingeniero Germán Castro M. por su enorme paciencia e
invalorable ayuda, para la feliz culminación de este
trabajo.
A el Ingeniero Bolívar Ledesma, por su desinteresada
cooperación.
A todas y cada una de las' personas que de alguna forma
colaboraron, en la realización de esta tesis.
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ESTDICE GENERAL
Pag.
INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO I:
CARACTERÍSTICAS DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
1.1 Generalidades 5
1.2 Clasificación de las pequeñas centrales hidroeléctricas
6
1.3 Principales componentes de una minicentral hidroeléctrica
9
1.4 Equipo electromecánico de una minicentral 10
CAPILTULO H:
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE LA MINICENTRAL
LA FLORIDA
2.1 Parámetros e información básica para el diseño *— 14 22
2.2 Consideraciones técnicas en la selección del equipo
electromecánico 37
2.3 Sistema eléctrico a ser diseñado para la minicentral -^
40
CAPITULO IH:
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL SISTEMA
DE GENERACIÓN DE LA MINICENTRAL
3.1 Selección del tipo de generador 49
3.2 El generador sincrónico y sus principales características
técnicas 52
3.3 Procedimiento de selección del generador de la minicentral
65
3.4 Protecciones del generador 75
3.5 Especificaciones técnicas del generador seleccionado 79
-
CAPITULO IV:
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD Y SISTEMAS
COMPLEMENTARIOS A LAS INSTALACIONES ELECTROMECÁNICAS
4.1 Criterios generales 82
4.2 Sistema de regulación de velocidad de la turbina 83
4.3 Sistema de comente continua 98
4.4 Sistema eléctrico de fuerza y control de la válvula de
entrada
de agua a la turbina 108
4.5 Malla de tierra de la central 117
4.6 Sistema de iluminación y fuerza de casa de máquinas 125
CAPITULO V:
DISEÑO DE LOS PANELES DE CONTROL Y PROTECCIONES DE LA
CENTRAL
5.1 Definiciones y consideraciones técnicas 132
5.2 Componentes del panel principal de control y protecciones
135
5.3 Componentes del panel de control de carga del regulador de
velocidad 147
5.4 Características físicas de los tableros de control y
protecciones 150
5.5 Especificaciones técnicas de los componentes de los paneles
de
control y protecciones 152
CAPITULO VI:
DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN DE LA MINICENTRAL
6.1 Función y conceptos de una subestación 158
6.2 Propuesta de diseño 161
6.3 Dimensionamiento y características técnicas del
transformador de la subestación 163
-
6.4 Equipo de protección y corte 172
6.5 Componentes adicionales 188
CAPITULO
INSTRUCTIVO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CENTRAL Y CRONOGRAMA
VALORADO DE ACTIVIDADES PARA EL MONTAJE
1. 1 Operación de puesta en marcha de la central 191
7.2 Instrucciones de control de operación de rutina 196
7.3 Operación de parada de la central 198
7.4 Operación de la central durante la ocurrencia de una falla
202
7.5 Cronograma valorado del montaje electromecánico de la
central 205
CAPITULO VIO:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 226
BIBLIOGRAFÍA 230
ANEXO: Planos de diseño Pl aP22
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INTRODUCCIÓN
La Escuela Politécnica Nacional, mediante convenio realizado con
la Comunidad
Económica Europea, el Banco Central del Ecuador y Foderuma, se
comprometió a
realizar el diseño completo de la minicentral hidroeléctrica
denominada "La Florida",
que se encuentra ubicada en la zona rural del cantón Echandía-de
la provincia de
Bolívar y cuya capacidad solicitada y- previamente definida por
estas entidades, es
de 100 KW.
El diseño comprendé las áreas de Ingeniería Civil, Mecánica y
Eléctrica. La parte
referente a la Ingeniería Eléctrica es el motivo de la presente
tesis de grado, de
forma similar a lo ocurrido en las otras especialidades.
El objetivo social que persigue la ejecución de este trabajo, es
resolver el problema
de la dotación de energía eléctrica para esta rica zona
agrícola-ganadera, que
ayude a mejorar la productividad de la gente, mediante la
instalación de pequeñas
industrias o talleres artesanales, orientados a la
industrialización de los productos
que produce la zona y se propicie de esta manera el mejoramiento
de las
condiciones socio=económicas del sector.
La generación del tipo hidráulico en general, representa la
mejor alternativa, tanto
económica como ambiental, con respecto a la instalación de
generación térmica que
utiliza combustibles derivados de! "petróleo. La energía
producida por una central
hidroeléctrica es "limpia", pues esta se produce sin causar
mayores daños en el
entorno natural.
Para proyectos agro=industriales pequeños, como es el caso del
sector de "La
Florida", es necesario que se cuente con una fuente de provisión
de energía
eléctrica confiable, permanente, de bajo costo de producción, de
larga vida útil,
como es el caso de una central hidroeléctrica y que además no
sea dependiente del
incremento periódico de los precios de los combustibles.
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ELÉCTRICA
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- 2 -
Los diseños, estudios y la posterior ejecución, de pequeñas
centrales
hidroeléctricas, pueden tener actualmente la posibilidad de
financiamiento, por parte
de Organismos Internacionales o fundaciones particulares,
preocupados por
desarrollar mejores condiciones de vida especialmente en los
sectores rurales
marginales, como es el caso que nos ocupa.
El diseño eléctrico y de control de la minicentral " La
Florida", se orienta a la
utilización en la mayor escala posible, de los recursos,
conocimientos, experiencias,
materiales y equipos que se disponen y pueden obtenerse
localmente en el país,
con el objeto de abaratar los costos de la instalación y generar
ingresos económicos
hacia el sector interno.
Las partes fundamentales de que consta este trabajo, básicamente
se pueden
resumir en las siguientes:
(a) El diseño eléctrico y de control de la minicentral
(b) Los planos del diseño eléctrico
(c) Un manual de operación de la central diseñada y un
cronograma de actividades
valorado, para realizar el montaje del equipo
.electromecánico.
La parte (a) contempla la propuesta del diseño, los cálculos,
las características y
justificaciones técnicas, de cada uno de los sistemas eléctricos
que se proponen
como componentes de la central y que son desarrollados a lo
largo de los primeros
seis capítulos de esta tesis.
Merece especial atención la utilización de la turbina Michell
Banki, como la máquina
motriz del generador de la central, de cuya fabricación el país
cuenta con algunas
experiencias propias, dado la simplicidad de su diseño y las
facilidades
constructivas que presenta.
-
- 3 -
EI sistema de regulación de velocidad de la turbina que se
utiliza en el presente
diseño, es del tipo denominado "Eléctrico-Electrónico con
disipación de carga", que
permite evitar la utilización de los tradicionales reguladores
de velocidad óleo-
mecánicos u óleo-hidráulicos, que aparte de su elevado costo,
presentan serías
dificultades especialmente en el caso de su mantenimiento y
reparación.
De forma similar que en el caso de las turbina, la fabricación y
ensamblaje de este
tipo de regulador de velocidad, se pretende realizárselo
(ocalmente, dado que se
dispone del suficiente conocimiento de su tecnología y la
experiencia de su
funcionamiento en varias centrales instaladas en el país. Sin
embargo, es necesario
mencionar que para efectos de nuestro trabajo, el diseño del
sistema electrónico de
control del regulador de velocidad y sus componentes son
presentados únicamente
mediante bloques explicativos, dado lo extenso que resulta un
diseño
pormenorizado y por cuanto así fue planteado originalmente este
tema.
El diseño de los restantes sistemas eléctricos de la central
como son: sistema de
generación, tableros de qontrol y protecciones, sistema de
corriente continua,
válvula de entrada de agua d.e la turbina,, subestación, malla
de tierra, instalaciones
interiores de casa de máquinas, etc, complementan el alcance de
trabajo de esta
primera parte.
En la parte (b) de esta tesis, se realiza el diseño y dibujo de
los planos de los
diferentes sistemas y componentes eléctricos de la central
tratados en la parte (a),
que son en un número de veinte y dos (22) planos y que constan
en el anexo de
este trabajo.
Los esquemas elaborados corresponden a diagramas unifilares de
fuerza y control
en AC y D'C, esquemas de interconexión interna y externa entre
equipos, esquemas
de control y protección, señalización, disposición del equipo
eléctrico en los tableros
de control y protecciones, instalaciones interiores de casa de
máquinas, malla de
tierra, conexión del regulador de voltaje del generador, esquema
de la subestación,
-
- 4 -
esquema y conexiones del sistema electrónico de regulación de
velocidad, sistema
de corriente continua, etc.
En síntesis, los diseños presentados definen los rangos,
potencias, tecnologías,
esquemas de control, secuencia de operación y protecciones que
tendrá la
minicentral, aunque los detalles de carácter constructivo
durante su real ejecución,
podrán estar sujetos a modificaciones que permitan mejorar las
condiciones
técnicas planteadas.
En la parte (c) del trabajo, capítulo Vil, se produce un manual
de operación de la
central, en el que se explica paso a paso la forma de
funcionamiento de la misma,
desde su puesta en marcha, operación normal, operación en falla,
parada de la
central, incorporando además las recomendaciones para la
corrección de las
anomalías presentadas y otras relacionadas con el mantenimiento,
etc.
Adicionalmente en este mismo capítulo, se elabora un cronograma
de actividades,
tendiente a establecer plazos y valores que tienen .que ver con
la adquisición,
fabricación y montaje de los equipos electromecánicos de la
central. Para el efecto,
en la parte correspondiente a las actividades de mano de obra
para el montaje
electromecánico, se presenta los precios unitarios
justificativos de las diferentes
actividades que involucra este trabajo. Los valores de los
equipos a adquirirse y
construirse ¡ocalmente, se han investigado a suministradores,
importadores y
fabricantes del mercado interno del país.
En el capítulo VIH y como parte final del presente trabajo, se
exponen las
conclusiones y recomendaciones del caso.
-
CAPITULO I
CARACTERÍSTICAS DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES
1.1 GENERALIDADES
A partir de la crisis petrolera mundial del año 1973 y la
perspectiva de! agotamiento
de las reservas de este hidrocarburo, se hizo evidente que el
modelo de generación
térmica basado en la utilización de los diferentes tipos de
combustible derivados del
petróleo, presentaba serias limitaciones para responder la
demanda eléctrica
creciente y sostenida de los diferentes sectores de consumo.
Bajo este contexto, la solución al problema planteado sugiere
establecer un modelo
de aprovechamiento energético diferente, orientado a la
utilización del recurso
natural como es el agua.
%En general, el aprovechamiento de la hidroelectricidad en
nuestra región, se
encuentra aún .en plena etapa de desarrollo y ha estado
orientada
fundamentalmente, a la ejecución de importantes proyectos
tendientes a satisfacer
las necesidades de consumo de energía de las grandes
concentraciones humanas,
concurrentes a los sistemas de interconexión eléctrica
nacionales, dejando de lado
a los sectores rurales, que se han visto privados de un mejor
desarrollo socio-
económico, en virtud de que estos se encuentran alejados de!
perímetro urbano y
de las rutas de las líneas de subtransmisión y distribución.
Es así como aparecen los denominados programas de pequeñas
centrales
hidroeléctricas, cuyo desarrollo e implementación, puede
contribuir de manera
significativa, a la solución de dos problemas fundamentales:
ESCUEZA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA
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- 6 -
1. Buscar la alternativa de reemplazo de las fuentes de energía
térmica, que
utilizan los derivados del petróleo.
2. Atender a los sectores rurales marginales, en consideración
de que esta opción
es la más viable económicamente, con respecto a otras soluciones
tales como
su interconexión al Sistema Nacional o la dotación de generación
térmica.
En el Ecuador desde hace aproximadamente 20 años, se instauró un
Programa de
Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, el mismo que estuvo manejado
por dos
organismos estatales actualmente desaparecidos, como fueron el
Instituto
Ecuatoriano de Electrificación INECEL y el Instituto Nacional de
Energía INE.
Fundamentalmente las pequeñas centrales hidroeléctricas
construidas por estas
dos instituciones, han estado orientadas a servir a ios sectores
rurales del país que
se encuentran alejados del Sistema Nacional Interconectado,
sirviendo en unos
casos para reemplazar las fuentes de energía térmica existentes
en esas zonas, en
otros para dotar por primera vez del servicio de energía
eléctrica (generalmente
sistemas aislados) e inclusive en ciertos casos, para trabajar
acoplados al Sistema
Nacional o contribuirá un sistema regional independiente.
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Las pequeñas centrales hidroeléctricas son factibles de
clasificarse según
parámetros técnicos como también en relación a su
aplicación.
Las siguientes son las clasificaciones que pueden adoptarse:
a. Según potencias y saltos.
b. Según la forma de utilización.
c. Según su vinculación con el sistema eléctrico.
d. Según su concepción tecnológica.
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- 7 -
a. Clasificación según sus potencias y saltos.
Según sus potencias y saltos, las pequeñas Centrales
Hidroeléctricas tienen las
características que se describen en el cuadro No. 1.
Esta clasificación es recomendada por la Organización
Latinoamericana de Energía
OLADE y en nuestro país fue adoptada por el desaparecido
Instituto Ecuatoriano
de Electrificación INECEL, habiéndose inclusive generalizado el
término pequeña
central para los rangos de micro y mini centrales.
Específicamente, en el caso del presente trabajo, su
clasificación recae en el rango
de las minicentrales hidroeléctricas y por ende conservaremos
este término y su
clasificación.
DENOMINACIÓN
Micro Centrales
Mini Centrales
Pequeñas Centrales
RANGO POTENCIAINSTALADA.
Hasta 50 KW.
De 50 a 500 KW.
De 500 a 5 MW.
SALTO EN MTS.
BAJO MEDIO ELEVADO
de 50
de100
de 130
CUADRO No. 1.- Clasificación recomendada por OLADE para
CentralesHidroeléctricas según rangos de potencias y saltos.
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- 8 -
b. Clasificación según la forma de utilización.
De acuerdo a este criterio, las pequeñas centrales
hidroeléctricas pueden ser de
los siguientes tipos:
• De toma lateral desde el cauce principal.
• Con embalse o represa,
• De control regulable del caudal de ingreso a la turbina, ya
sea en forma manual
o automática.
• De carga constante, ya sea por la naturaleza propia de la
carga o por la
disipación del exceso de energía, la misma que puede ser
utilizada en
aplicaciones complementarias específicas.
c. Clasificación según su vinculación con el sistema
eléctrico.
De acuerdo a la forma de integrarse con un sistema eléctrico,
las pequeñas
centrales hidroeléctricas pueden clasificarse como:
• Centrales aisladas.
• Centrales integradas a pequeños sistemas eléctricos.
• Centrales integradas a grandes redes zonales o al sistema
nacional.
d. Clasificación según su concepción tecnológica.
Es una clasificación indicativa referida a la naturaleza de los
principales elementos
tecnológicos de una central. En forma cualitativa, se pueden
establecer los
siguientes tipos de pequeñas centrales:
• Centrales con tecnologías convencionales, en donde se
consideran obras
civiles de calidad en la toma, canal de conducción, cámara de
carga,
desarenador, tubería de acero, equipo electromecánico de alto
costo y
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- 9 -
construido según normas internacionales de países desarrollados,
tableros de
control ampliamente instrumentados, etc.
Centrales con tecnologías no convencionales. Este tipo de
centrales
frecuentemente emplean tomas y canales de riego o acequias
existentes que
son mejoradas, cámara de carga instalada en línea sobre el canal
incluyendo el
desarenado!", equipos electromecánicos diseñados y construidos
con la
tecnología que dispone el desarrollo industrial del propio país,
tableros de
control modulares simples y con un mínimo de instrumentación
etc.
1.3 PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA MINICENTRAL
HIDROELÉCTRICA.
Dentro de las obras y equipos que componen una minicentral
hidroeléctrica y en
general una pequeña central, se distinguen las siguientes:
+ Obras civiles.
4- Equipo hidromecánico.
4 Equipo electromecánico.
Los principales componentes de las obras civiles son: obras de
toma, canal de
conducción, desarenador, cámara del tanque de presión y las
obras civiles de casa
de máquinas y subestación.
El equipo hidromecánico lo componen fundamentalmente: rejillas,
tubería de
presión y diversos tipos de compuertas, localizadas en
diferentes partes de las
obras civiles.
El equipo electromecánico y sus componentes se ios trata a
continuación en forma
más amplia y específica, en virtud de ser el aspecto de nuestro
mayor interés.
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1.4 EQUIPO ELECTROMECÁNICO DE UNA MINI CENTRAL
Es el sistema requerido para desarrollar la energía potencial
y/o cinética
aprovechable de un flujo de agua determinado, para convertirlo
primero en energía
mecánica y luego en energía eléctrica, controlarla y
transmitirla a los usuarios.
El equipo electromecánico de la central, se encuentra localizado
en el área
asignada a la casa de máquinas, tanto en su zona interna como en
su zona externa
adyacente. En esta última zona, generalmente se localiza la
subestación de la
central.
\s principales componentes electromecánicos de una minicentral,
se consideran
los siguientes:
4 Turbina.
4- Generador.
4 Regulador de velocidad.
4 Volante.
4- Sistema de transmisión de velocidad.
* Válvula de entrada de agua.
4 Tableros de control y protecciones.
4 Equipo de la subestación de elevación.
Los componentes indicados, conforman eí equipamiento
electromecánico básico
de una minicentral, sin embargo, dependiendo del diseño de la
misma y de las
características propias de su aplicación y funcionalidad,
algunos de estos
elementos pueden no ser contemplados.
Se cita a continuación ejemplos de casos concretos que se tiene
en el país: en la
microcentral hidroeléctrica de Oyacachi de 50 KW de capacidad
(central construida
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-11 -
por INECEL-INE en la provincia del Ñapo) no se dispone de
volante y además
tampoco existe subestación de elevación, esto último en razón de
la cercanía de los
consumidores a la central, por lo que la distribución se la
realiza directamente en
baja tensión.
Otro caso es la central Zumba de 200 KW (2x100 KW), en la
provincia de Zamora
Chinchipe (central construida por INECEL), en la que no existe
válvula de entrada
de agua, pero se cuenta con un sistema automatizado de la
operación de los
alabes de las turbinas, que permite controlar el flujo de
entrada de agua en forma
rápida.
A continuación, se describe en forma breve, las características
más importantes del
equipo electromecánico:
TURBINA.- En este equipo se produce la conversión del producto
salto y caudal
de agua, en el producto torque x R.P.M. en su eje de salida
(energía potencial y/o
cinética del agua en energía mecánica rotante).
Para que una turbina desempeñe una labor efectiva, su diseño
debe corresponder
al salto de agua establecido por la topografía del lugar y a la
cantidad o caudal de
agua disponible.
Existen dos tipos básicos de turbinas:
4 Turbinas de Reacción.
4 Turbinas de Impulso.
En las Turbinas de Reacción, una parte de la energía del fluido
se convierte en
energía cinética, al pasar el fluido a través de una corona de
alabes oríentables que
no giran, llamados alabes directores, situada antes del rodete
móvil, y el resto de la
transformación tiene lugar en el rodete móvil.
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Las Turbinas de Reacción son cfasificadas como de: flujo mixto y
radial, y de flujo
axial.
Flujo mixto y radial.,.............Turbinas Francis
Flujo axial..............................Turbinas Hélice
Kaplan
....Bulbo
Tubular
En las Turbinas de Impulso, la altura disponible es convertida
en energía cinética a
presión atmosférica antes de su ingreso al rodete; la potencia
disponible es
extraída del flujo de agua a presión atmosférica.
Las modernas Turbinas de Impulso se clasifican como:
Turbinas de Flujo Tangencial... Turbinas Pelton
Turbinas de Flujo Cruzado................ Os.sberger
.......Michell Banki
Precisamente las Turbinas de Impulso del tipo Michel! Banki
tienen su mayor
aplicación en proyectos hidroeléctricos de pequeña capacidad
como el que nos
ocupa, por lo que sus ventajas y aplicación específica se
exponen más adelante.
GENERADOR.- Este equipo eléctrico convierte la energía mecánica
de la turbina
aplicada a su eje, en energía eléctrica.
Dos tipos de generadores son factibles de utilizar en
minicentrales hidroeléctricas:
4 Generadores Sincrónicos.
+ Generadores Asincrónicos o de Inducción.
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- 1 3 -
La mayor diferencia entre estos dos tipos de generadores radica
en que, mientras
el generador sincrónico tiene la posibilidad de generar en forma
autónoma la
energía para su excitación, el generador de inducción requiere
de una fuente
externa que se la proporcione (Red externa o banco de
condensadores).
La característica antes señalada, ha dado como resultado que,
mayoritariamente,
las minicentrales hidroeléctricas que funcionan especialmente
como sistemas
aislados, utilicen preferentemente generadores sincrónicos.
Los principales componentes de un generador son:
* Estator.
* Rotor.
* Sistema de excitación.
* Regulador de voltaje.
Los generadores sincrónicos tienen rotores de dos tipos: de
polos salientes y tipo
cilindrico.
4:Los generadores sincrónicos acoplados a turbinas hidráulicas
se construyen para
velocidades muy distintas, según sea la potencia, altura del
salto y tipo de turbina.
REGULADOR DE VELOCIDAD.- Es básicamente un equipo de control
automático,
que permite mantener constante la velocidad de la turbina ,
frente a las variaciones
de torque mecánico que se presentan en su eje, como consecuencia
de la variación
de la carga eléctrica suministrada por el generador.
El regulador de velocidad es un equipo muy importante dentro de!
equipamiento
electromecánico de una central hidroeléctrica, pues este permite
una marcha
uniforme y confiable del conjunto turbina-generador.
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-14-
Los sistemas de control de velocidad de una turbina que se
conocen actualmente y
que son aplicables a las minicentrales hidroeléctricas, son de
los siguientes tipos:
4 Óleo-Mecánicos.
+ Electro-Hidráulicos.
4 Por Control de Disipación de Carga.
En los reguladores de velocidad de los tipos óleo-mecánicos y
electro-
hidráulicos, la forma de controlar la velocidad de la turbina y
mantenerla
constante, es actuando sobre el mecanismo de ingreso de agua al
rotor de la
turbina (paletas, alabes, inyectores o agujas según el tipo de
turbina).
El regulador de velocidad por Control de Disipación de Carga, es
un sistema de
regulación muy moderno en su desarrollo, debido en su mayor
parte a la evolución
tecnológica de los circuitos y elementos electrónicos, lo que ha
permitido dejar de
lado la utilización en gran medida de dispositivos mecánicos,
hidromecánicos o
electrohidráuiicos (bombas, generadores auxiliares, etc.).
Básicamente, este sistema de regulación, consiste en mantener
fijo el flujo de
entrada de agua la turbina y constante la carga vista por el
generador, de esta
manera el torque eléctrico permanece constante sobre el eje de
la turbina y por
ende la frecuencia y la velocidad permanecen estables.
En este sistema, el control no actúa sobre el flujo de agua, es
decir no opera los
alabes o agujas de la turbina, sino que actúa sobre un banco de
resistencias o
cargas auxiliares, a través de un sistema electrónico que le
permite manejar
automáticamente la operación de conexión y desconexión de estas,
de forma que
se mantenga constante la potencia y por tanto también la
frecuencia.
VÁLVULA DE ENTRADA DE AGUA.- Este elemento permite el ingreso
controlado
del flujo de agua, desde la tubería de presión a la turbina.
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- 1 5 -
En muchos casos, la válvula de entrada de agua, resulta un
excelente equipo de
seguridad de la central, ante el inusual evento de falla del
sistema de control de
velocidad, que puede provocar el embalamiento de la turbina.
Por esta razón, la ubicación física de la válvula de entrada, en
la generalidad de los
casos, es junto a la turbina.
Tres tipos de válvulas se utilizan comúnmente en las
minicentrales:
a) Válvulas esféricas o globo
b) Válvulas mariposa
c) Válvulas de compuertas
La utilización de estos tres tipos de válvulas, está
condicionado a los parámetros de
altura y caudal de diseño de la central, lo que define la
presión hidrostática de
trabajo a vencer.
Para minicentrales con alturas y caudales de diseño medianos, es
suficiente la
utilización de válvulas del tipo b) y c) anotadas.
VOLANTE.- Es una masa circular rotante, que sirve básicamente,
para ayudar a
mantener la velocidad del movimiento de la turbina, cuando
ocurre bruscas
variaciones en la carga que alimenta la central.
Especialmente en minicentrales, cuyo tipo de regulación de
velocidad es mecánico,
la utilización del volante es de gran ayuda, pues reduce el
tiempo de respuesta que
el regulador emplea en llevar a la turbina a la velocidad
nominal de trabajo, cuando
por una entrada brusca de carga, la velocidad decrece.
En general, el volante se fabrica de acero o de la aleación
hierro-acero. El volanteise localiza entra la turbina y el
generador cuando ia transmisión es directa, es decir
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-16 -
cuando no existe mecanismos de multiplicación de velocidad y por
tanto la
velocidad de la turbina es igual a la del generador. Cuando
existe un multiplicador
de velocidad, el volante estará acoplado a los extremos de éste
y el generador.
En algunas minicentrales, se utiliza sobre el volante un sistema
de frenos, que
generalmente esta constituido por zapatas colocadas en sus
laterales y que se
accionan mediante aire comprimido o aceite a presión, según sea
el sistema
diseñado. Este sistema se acciona a muy bajas velocidades y
sirve únicamente
para quitarle inercia a la turbina, durante el proceso de
parada.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE VELOCIDAD.- El conjunto
turbina-generador, se
monta generalmente sobre un mismo eje. Cuando ocurre que la
velocidad de la
turbina es similar a la del generador, no se requiere de ningún
dispositivo para
modificar la velocidad y la transmisión del movimiento se la
realiza directamente
sobre el mismo eje.
En una gran cantidad de pequeñas centrales, en general, se
requiere modificar la
velocidad de la turbina, a fin de conseguir velocidades
normalizadas, que sean
compatibles con Fas que se fabrican comúnmente los
generadores.
Dos tipos de sistemas de transmisión son utilizadas
frecuentemente:
a) Cajas multiplicadoras de velocidad de engranajes
b) Poleas con bandas o fajas en " V".
Las cajas multiplicadoras de velocidad de engranajes o
simplemente conocidas
como multiplicador de velocidad, es un sistema modular compuesto
por un tren de
engranajes cilindrico, rodamientos de bolas auto alineables para
soporte de sus
ejes, carcaza con nervaduras transversales de reforzamiento,
capacitada para
soportar elevadas temperaturas y que utilizan un aceite liviano
como elemento de
lubricación de sus partes.
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-17 -
El sistema de transmisión de velocidad por Poleas con Bandas o
Fajas en " V ", es
más utilizado que e! sistema antes descrito, en razón de su
notable menor costo de
fabricación. Este sistema dispone generalmente de dos poleas,
cuyos diámetros
están en relación inversa a las velocidades de la turbina y el
generador. Como en la
mayoría de casos, normalmente la velocidad de la turbina es
menor a la que se
dispone para el generador, la polea de mayor diámetro se monta
sobre el eje de la
turbina y la de menor diámetro sobre el eje del generador.
Las dos poleas, se mueven conjuntamente por medio de una banda
colocada sobre
sus superficies lisas. En otros casos, las poleas se fabrican
con ranuras, en las que
se alojan algunas bandas o fajas en forma de " V".
TABLERO DE CONTROL Y PROTECCIÓN.- La función principal de este
tablero
es operar como control y monitor de todas las funciones de la
central.
Cuando se presenta una falla, mediante la lectura y
visualización de los aparatos
equipo de medida y señalización del tablero, el operador puede
determinar la
naturaleza del evento ocurrido y proceder a tomar los
correctivos que el caso
requiera.
Los principales componentes de un Tablero de Control son;
• Aparatos de medida
• Aparatos de mando y control
• Luces de señalización
• Alarmas sonoras
• Relés de protección
• Aparatos protección
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Los aparatos de medida, proveen la información sobre los niveles
de voltaje,
corriente, potencia activa, potencia reactiva, energía,
frecuencia, temperatura,
tiempo de funcionamiento, etc.
Los aparatos de mando y control, lo constituyen los contactores,
selectores,
pulsadores, llaves, etc. que permiten desde el tablero de
control efectuar todas las
operaciones que involucran el arranque y parada de la central,
su funcionamiento
en condiciones normales o las paradas de emergencias en caso de
falla.
Las luces de señalización, son utilizadas para indicar el estado
o status actual del
equipo en funcionamiento, tales como: bomba conectada o
desconectada, válvula
abierta o cerrada, interruptor abierto o cerrado, etc. De igual
manera, en
condiciones de falla de la central, se utiliza señales luminosas
que discrimine la
característica del problema por el cual la central salió fuera
de servicio.
Las alarmas sonoras más comúnmente utilizadas son las sirenas,
los timbres ó
ambos a la vez. Las alarmas sonoras advierten al operador sobre
una condición
específica de alarma o falla de la central. Por ejemplo, puede
utilizarse un timbre
para alarmas que señalan condiciones anormales de trabajo del
equipo de la
central que son factibles de ser corregidos por el operador
durante su
funcionamiento y utilizar una sirena para las alarmas de fallo
mayor, que
necesariamente, provoquen la salida automática de la central
fuera de servicio.
Los relés de protección basan su funcionamiento especialmente,
en la información
de los parámetros voltaje, corriente, temperatura y
características de tiempo.
Cuando los valores pre, calibrados de voltaje o corriente han
sido alcanzados,
operan y ordenan en general, el inicio de la secuencia de
operación automática de
parada de la central. Ejemplos de relés de protección comúnmente
utilizados, lo
constituyen los relés de sobrecorriente, sobrevoltaje,
sobrecarga, diferenciales, etc.
-
-19-
El equipo de protección, del que puede disponer el tablero de
control principal de
una minicentral hidroeléctrica, se refiere principalmente a:
interruptores de fuerza,
interruptores de pequeña potencia, seccionadores fusibles,
seccionadores barra,
fusibles en general.
Los interruptores de fuerza, también denominados disyuntores,
tienen como función
establecer o cortar la continuidad de un circuito eléctrico bajo
carga, cuando se ha
producido una sobre intensidad o una sobrecarga.
Los interruptores de fuerza, generalmente conectan al generador
con la red externa
a servirse y en casos especiales, conectan circuitos de fuerza
importantes, de
potencias significativas en relación con la capacidad nominal de
la centra!.
Los disyuntores o interruptores de pequeña potencia, se los
utiliza para alimentar y
servir de elementos de protección contra sobre corrientes, en
los circuitos auxiliares
y de control que dispone la central.
Los seccionadores fusibles tienen dos funciones principales; son
equipo de
maniobra en situaciones específicas de operación y además,
protegen contra sobre
corrientes que produzcan en el circuito que controlan. Su
aplicación es preferencia!
en circuitos de fuerza y es recomendable su operación en
vacío.
Los seccionadores barra, de muy poco uso en los esquemas
eléctricos de las
minicentrales, se los utiliza únicamente como elementos de
maniobra y su
operación, necesariamente debe realizársela en vacío.
EQUIPO DE LA SUBESTACIÓN DE ELEVACIÓN.- Cuando sucede que
los
usuarios o el centro de consumo a ser servido por la minicentral
se encuentra
distante, es necesario contar con un sistema de transformación,
que permita llevar
la energía a los usuarios en las condiciones técnicas previstas,
que faciliten su
normal aprovechamiento.
-
-20 -
Para una minicentral, el sistema de transformación o equipo de
la subestación de
elevación, es suficiente que disponga de las siguientes
componentes:
• Un transformador de elevación
• Una torre de salida de la línea de distribución de alta
tensión.
Las variantes principales para el costo de un transformador, son
su capacidad en
KVA y los voltajes de su primario y secundario. En nuestro país
es normalizado el
voltaje de 13.200 Voltios, para el caso del lado de alta tensión
del transformador y
aplicable para el caso de una minicentrai, que se ubique
especialmente en una
zona rural.
El segundo componente de la subestación de elevación, es la
denominada torre de
salida de la línea de distribución de alta tensión, que es una
estructura básicamente
conformada por 2 postes ya sea de madera u de hormigón, en donde
se montan los
seccionadores fusibles, pararrayos, crucetas, aisladores y más
elementos de
sujeción (herrajes).
Los seccionadores fusibles y los pararrayos, son elementos de
protección de la
línea de distribución eléctrica de alta tensión, contra
sobrecorrientes y sobrevoltajes
respectivamente, que se producen en su recorrido.
La figura No. 1-1 muestra un diagrama esquemático de la
composición típica de
una minicentral hidroeléctrica.
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CAPITULO II
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE LA MINICENTRAL
LA FLORIDA
2.1 PARÁMETROS E INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO
La principal información que se requiere para realizar el diseño
del sistema
eléctrico de una minicentral, es básicamente la siguiente;
a) Parámetros e información eléctrica
b) Información del equipo mecánico
c) Información de obras civiles
2.1.1 PARÁMETROS E INFORMACIÓN ELÉCTRICA
Los siguientes son los aspectos más relevantes, referentes a la
especialidad de la
Ingeniería Eléctrica, que se requieren conocer, con antelación a
efectuar el diseño:
> Estudio de la demanda y características de la carga a
servir
> Forma de interconexión de la central
> Estudio de la resistividad del suelo
1) El estudio de la demanda eléctrica y sus características, son
algunos de los
aspectos fundamentales que se realizan, previo a la ejecución
del diseño de una
minicentral.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA
-
- 23 -
La determinación de la capacidad de la minicentral, es el primer
paso en un estudio
de este tipo. La capacidad de la central considerará la
proyección de la demanda
futura, cuyo horizonte en la generalidad de los casos, abarca un
período mínimo de
25 años, el mismo que también se define como el de vida útil de
la central.
La figura No. 2-1 muestra el crecimiento porcentual, de la
demanda típica de una
zona rural aislada de nuestro país, para un período de 25
años.
CURVA DE CRECIMIENTO DE LA DEMANDA120 -,
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26
AÑOS
FIGURA No. 2-1.- Curva de demanda típica para zonas rurales del
país
Al establecer la capacidad de la central, se define la demanda
máxima que se
impondrá al sistema eléctrico y a partir de esta, se establecen
los parámetros de
diseño del equipo tales como: capacidad y voltajes del
generador, del
transformador de elevación, calibres de conductores, capacidad
de interruptores,
de fusibles, características del equipo de medición, etc.
-
-24-
S¡ la demanda máxima proyectada para el período de vida útil de
la central, es la
potencia nominal del generador, a través de la utilización de la
fórmula No. 2.1
puede definirse el caudal de trabajo de la turbina, que se
considera el parámetro
susceptible de variación.
Pg=9.81 x H x Q x E (2.1)
En donde:
Pg es la potencia máxima que el generador entrega al sistema
eléctrico en KW
H es la altura neta aprovechable en metros
Q es el caudal máximo de diseño, en m3/seg. que fluirá por la
turbina
E es la eficiencia total de la planta hidroeléctrica (eficiencia
del generador, del sistema
de transmisión turbina-generador y eficiencia de la turbina a
plena carga)
Dentro de la evaluación de la demanda, se determina un parámetro
importante que
es el Factor de Carga, el mismo que se define como la relación
entre el promedio
de la demanda sobre un período de tiempo determinado, al pico de
carga ocurrido
en ese tiempo. Matemáticamente e! factor de carga se expresa por
la siguiente
ecuación:
Fe = Dp/Dm (2.2)
Donde:
Fe es el factor de carga
Dp es la demanda promedio del período considerado
Dm es la demanda máxima ocurrida en el período considerado
El factor de carga, es un parámetro que permite al diseñador
apreciar claramente,
la forma de aprovechamiento de la capacidad de la central, que
tiene incidencia
directa en el aspecto económico de su funcionamiento y que
además ayuda a
-
-25 -
establecer la mejor alternativa de selección del tipo de
turbina, en función de su
rendimiento. Un factor de carga elevado, significa un mayor
aprovechamiento de la
capacidad de la central y por ende una mayor rentabilidad
económica.
La determinación de bajos factores de carga, pondrá en aviso al
diseñador, sobre ía
posibilidad de variar la capacidad de la central, a fin de
mejorar el funcionamiento
económico de la misma, ya sea vía control de inversiones o
previendo instalar un
número mayor de unidades hidrogeneradoras de menor
capacidad.
El factor de carga que se analiza en un diseño, se refiere a
períodos diarios, puesto
que para períodos mayores ya sean mensuales, trimestrales,
anuales, etc., su valor
tiende a decrecer. Por ende la demanda máxima de importancia, se
refiere al pico
diario ocurrido y ese valor se toma en cuenta para establecer la
capacidad del
generador.
La Figura No. 2-2, nos muestra las curvas de carga diaria en el
año inicial y final
del período considerado como de vida útil, para un factor de
carga 0.4.
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24
HORAS
FIGURA No. 2-2.- Diagrama de carga de la turbina para un sistema
eléctricocon un factor de carga de 0.4
-
- 26 -
2) La forma de interconexión de la central, tanto hacia los
usuarios a servir o su
acoplamiento a otro sistema de generación local, regional o
nacional, es otro
aspecto técnico que se debe conocer previo a la ejecución del
diseño.
En la mayoría de los casos, ocurre que las minicentrales
trabajan alimentando un
sistema rural aislado, por lo que se pueden considerar los
siguientes aspectos en el
equipo de control:
• No es necesario implementar un equipo de sincronización
• Es recomendable utilizar un generador del tipo sincrónico
• El regulador de voltaje del generador no necesita considerar
en su diseño,
ninguna etapa de compensación de potencia reactiva, por cuanto
no se prevé su
funcionamiento en paralelo, con otra fuente de energía.
• En caso de que sus instalaciones sean muy cercanas del poblado
a servir, la
alimentación a los usuarios se la puede realizar directamente en
baja tensión,
con lo que se ahorrar el equipamiento previsto para la
subestación de elevación
• Definir si se va a manejar eléctricamente la operación de la
válvula de entrada
de agua a la turbina, para lo que se requerirá de un sistema de
alimentación
específico de corriente continua, etc.
Para el caso en que la minicentral, tiene la posibilidad de
trabajar en paralelo con
otra fuente externa, es necesario contemplar las siguientes
condiciones para el
diseño:
• Equipo de control para sincronización
• Factibilídad de utilizar un generador asincrónico
-
- 27 -
• Si es un generador sincrónico, el sistema de regulación de
voltaje, debe
contemplar la etapa de control de regulación de reactivos.
• Implementación de mayor equipo de protección. Por ejemplo
protección contra
motoreo.
• En el sistema de regulación de velocidad de la turbina, si la
señal de frecuencia
que recibe es eléctrica, ésta debe tener independencia de las
barras comunes
de los generadores en paralelo.
• Se puede pensar en operar eléctricamente la válvula de entrada
de agua a la
turbina con corriente alterna o con corriente continua, etc.
3) El estudio de la resistividad del suelo, donde se ubicarán
los equipos
electromecánicos, es otra actividad que el diseñador del sistema
eléctrico debe
contemplar a fin de poder dimensionar la malla de tierra de la
central, establecer
las corrientes de cortocircuito que se esperan durante una falla
y definir el
equipo de protección requerido.
2.1.2 INFORMACIÓN DEL EQUIPO MECÁNICO
Especialmente se requiere los siguientes datos del equipo
mecánico a ser instalado
en la central:
> Tipo de turbina y sistema de transmisión
> Sistema de Regulación de velocidad
> Válvula de entrada de agua, etc.
a) El tipo de turbina, se define a partir de el caudal y altura
disponibles en el lugar
de instalación y además tomando en cuenta la potencia máxima a
servir en el
año horizonte proyectado.
-
-28-
La figura No. 2-3, muestra el gráfico apropiado para seleccionar
el tipo de turbina
en función de los parámetros antes señalados.
Las figuras No. 2-4 y No. 2-5, nos permiten visualizar
respectivamente, la eficiencia
a carga parcial de las turbinas hidráulicas y las eficiencias
promedios diarias para
el año inicial y final, de las turbinas tipo Michell Banki y
Francis, para un sistema
eléctrico que tiene un factor de carga de 0.4
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La disposición horizontal o vertical de la turbina y la
velocidad de giro son los datos
importantes a conocer, pues estos tienen relación directa con la
definición de las
características técnicas de! generador.
Para el caso de una turbina tipo Michell Banki, muy común en el
equipamiento de
minicentrales, la velocidad de rotación óptima viene dada
por:
N = 39.85 H1/2/ De (2.3)
Donde;
N = Número óptimo de revoluciones en r.p.m. de la turbina
De = Diámetro exterior del rodete, en metros
H = Salto neto aprovechable, en metros
Los generadores síncronos, generan tensiones cuya frecuencia
viene fijada por la
velocidad de la máquina que lo mueve (en este caso una turbina
hidráulica), de
acuerdo a la siguiente fórmula:
N = 2 x 60f/ P (2.4)
Donde:
N - Velocidad mecánica de rotación en r.p.m.
f = Frecuencia del sistema eléctrico en Hz.
P = Número de polos del rotor
Observando la fórmula anterior, se puede fácilmente deducir que
cuando la turbina
de accionamiento tiene una velocidad baja, se requerirá un gran
número de polos
en el rotor del generador y por tanto aumentarán las dimensiones
físicas del mismo;
-
-33 -
en el caso inverso se disminuirán el número de polos y por ende
el tamaño del
generador.
La definición del número óptimo de revoluciones de la turbina,
establecerá también
el sistema de transmisión de velocidad hacia el generador, ya
sea que lo efectúe en
forma directa o utilizando mecanismos de elevación de velocidad,
por medio de
bandas con poleas o cajas multiplicadoras de velocidad de
engranajes.
Cuando el sistema de transmisión, emplea las denominadas cajas
multiplicadoras
de velocidad con engranajes, se utilizan para la lubricación de
sus componentes
internos, bombas eléctricas para la circulación forzada del
aceite, en cuyo caso el
diseñador del sistema eléctrico, debe prever su esquema de
alimentación,
protección y mando.
b) El tipo de control de regulación de velocidad de la turbina,
es otro dato de
necesario conocimiento para el diseño eléctrico de la
central.
Dependiendo del tipo de regulador de velocidad a utilizar, el
diseñador deberá
considerar el equipo eléctrico que involucra, la ubicación
física de los mismos, su
forma de funcionamiento, etc.
Pequeñas centrales hidroeléctricas de procedencia China,
montadas por el ex
INECEL, en algunos sectores rurales del país, utilizan
reguladores de velocidad del
tipo óleo-mecánico. Este tipo de reguladores involucra
principalmente el siguiente
equipo eléctrico:
• Un generador de ¡manes permanentes, para alimentar el motor de
péndulo del
regulador de velocidad, que es quien sensa el estado de la
velocidad de la
turbina y permite al sistema hidromecánico del regulador
accionar, a fin de
corregirla y mantenerla en su valor nominal de trabajo.
-
-34 -
• Una bomba eléctrica, para mantener la presión del aceite del
sistema hidráulico,
en un valor pre establecido.
• Una válvula electromagnética accionada con corriente continua,
para parada
emergente de. la turbina. Actúa sobre el sistema hidráulico del
regulador de
velocidad y permite el cierre de los alabes de la turbina.
• Motores de corriente continua, para operación automática de
apertura y cierre
de alabes y ajuste de velocidad, etc.
La Figura No. 2-4, muestra el esquema de un regulador de
velocidad de
oleohidráulico tipo YTT, de procedencia china.
En la actualidad, las minicentrales de hasta 200 KW, utilizan
preferentemente la
regulación de velocidad del tipo de control
eléctrico-electrónico con disipación de
carga, que tiene principios diferentes a los reguladores de
velocidad de control
positivo de flujo (óleo-mecánicos y electro-hidráulicos) y que
aparte de las mejoras
técnicas que proporciona, permite reducir costos.
El sistema de control de velocidad de la turbina, del tipo
eléctrico-electrónico con
disipación de carga, involucra los siguientes componentes
eléctricos:
• Un sistema de fuerza compuesto por un conjunto de elementos de
electrónica
de potencia TRIAC ó SCR.
• Un banco de resistencias eléctricas de la capacidad nominal de
la central
• Un sistema electrónico de control y supervisión.
La adopción de este último sistema de regulación de velocidad,
permite una mayor
participación del diseñador eléctrico, por cuanto se requiere
establecer mayores
espacios para el montaje del sistema y contemplar elementos de
mando, medida y
protección adicionales.
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- 36 -
c) En el literal 2.1.1 se había señalado que cuando la válvula
de entrada de agua
va a ser accionada eléctricamente, tiene dos posibilidades de
diseño: la una con
un motor de corriente continua y la otra con un motor de
corriente alterna, en
función de establecer, si la central opera en forma aislada o su
trabajo tiene la
posibilidad de hacerlo con otra fuente externa, ya sea de otro
sistema regional
existente o con el sistema nacional.
Para una minicentral hidroeléctrica que trabaja como un sistema
aislado y bajo la
decisión de no considerar la operación manual de ia válvula de
entrada, conviene
que el funcionamiento eléctrico de esta, sea con corriente
continua, con lo que se
logra independencia de su trabajo con respecto a la operación de
la central.
Esta definición involucra entonces, la necesidad de contar con
un sistema de
corriente continua que estará compuesto por un banco de
baterías, su respectivo
cargador, así como también se establecerá las características
del equipo de
mando, protección y control que se asocian al funcionamiento de
la válvula, e
inclusive un análisis del tipo de motor a utilizar.
2.1.3 INFORMACIÓN DE OBRAS CIVILES
Los datos que se requieren conocer, especialmente de las obras
civiles de la
central hidroeléctrica, son los siguientes;
> Detalles de planta y fachadas de casa de máquinas
> Detalle de planta del área de subestación
(a) El detalle de planta de casa de máquinas, nos permite
conocer el área
disponible, para la localización del equipo electromecánico de
la central.
El detalle de las fachadas, nos señalan los accesos, ventanas y
alturas de la casa
de máquinas.
-
-37 -
En general, cuando ya se define el plano de planta de la casa de
máquinas, en esta
se encuentra establecida la iocalización del equipo mayor de ta
central, como son
el conjunto turbina-generador y la válvula de entrada de agua a
la turbina; estas
ubicaciones se determinan a partir de la disposición física del
ingreso de la tubería
de presión, en la casa de máquinas.
Con este conocimiento, el diseñador eléctrico realiza
actividades tales como:
ubicación del los tableros de control, recorrido de canaletas y
tuberías de cables,
diseño de instalaciones interiores de iluminación y fuerza,
diseño de la malla de
tierra, establece los espacios libres para circulación, etc.
(b)EI detalle de planta del área de la subestación, permitirá al
proyectista
determinar:
• Dimensiones de la base del transformador de elevación y su
ubicación.
• Recorrido de canaletas y tuberías de cables
• Ubicación y orientación de la estructura de salida de la red
de alta tensión
• Diseño de la malla de tierra
• Espacios libres de seguridad para operación y cerramientos de
la zona.
2.2 CONSIDERACIONES EN LA SELECCIÓN DEL EQUIPO ELECTRO -
MECÁNICO
En los apartados 1.4 y 2.1, se establecieron en forma general
las características de
los componentes electromecánicos, factibles de instalarse en una
minicentral
hidroeléctrica y los parámetros e información requerida, previo
a la ejecución del
diseño eléctrico.
-
-38 -
En este acápite se presentan las consideraciones, que
específicamente se aplican
para el diseño de una minicentral hidroeléctrica de 100 KW, a
ubicarse en el sector
La Florida, perteneciente al cantón Echandía, de la provincia de
Bolívar.
Estos parámetros y condiciones, definen e influyen, en la
determinación de las
características técnicas del equipo electromecánico de la
minicentral. A
continuación, se detallan las consideraciones que se han
definido para el caso
específico de este estudio:
1. La minicentral La Florida, funcionará sirviendo a un sistema
rural aislado y no se
prevé su interconexión, con otro sistema externo de energía.
2. La capacidad máxima de la central ha sido fijada en 100 KW.
Esta potencia fue
fijada por el ente estatal Banco Central-Foderuma, solicitante
del proyecto.
3. Se utilizará una turbina de flujo cruzado tipo Michelle
Banki, por considerar que
éste tipo de turbina se acopla perfectamente a las condiciones
caudal-altura
disponibles, así como también presenta un mejor rendimiento para
trabajar con
factores de carga bajos, típicos de sistemas rurales aislados,
en comparación
con una turbina Francis, que resulta ser la otra alternativa a
considerar. Ver
figuras No. 2-3 , No. 2-4 y No. 2-5.
Por otra parte, su bajo costo debido a las facilidades
constructivas que presenta
su diseño y la factibilidad de contar con tecnología nacional
para fabricarla en el
país, justifican esta decisión.
4. El sistema de transmisión del conjunto turbina-generador, se
lo efectúa
aplicando bandas y poleas. Este sistema resulta mucho más
económico, que el
que puede establecerse empleando una caja multiplicadora de
velocidad,
aunque la eficiencia de trabajo resulta ser menor.
-
-39-
La utilización de un sistema de transmisión de velocidad,
permite al diseñador
eléctrico una mayor libertad en la definición de la velocidad
del generador de la
central y que influye en el tamaño y costo económico del
mismo.
5. El sistema de regulación de velocidad que se adopta en el
presente diseño, es
del tipo eléctrico-electrónico con disipación de carga.
Las razones de la elección de este sistema son las
siguientes:
* Su costo económico es menor con respecto a los otros sistemas
utilizados
tradicionalmente en minicentrales, tales como reguladores de
velocidad oleo-
mecánicos o electro-hidráulicos, pues estos involucran en gran
medida
elementos como; bombas hidráulicas, generadores eléctricos
auxiliares y
sistemas mecánicos de avanzada tecnología mecánica, etc.
4- De fácil construcción en el país, por disponer de la
tecnología adecuada;
además, la mayor parte de sus componentes es factible de
adquirirse
locaimente.
4- La tecnología electrónica que involucra este sistema, permite
conseguir
fácilmente precisión desde el punto de vista constructivo, así
como dotar al
sistema de acciones de control moderno, que redundan en lograr
ventaja en la
calidad de la regulación de velocidad.
4- No requiere de casi ningún mantenimiento y se evita un
control permanente de
operación.
6. Existe una válvula de entrada de agua, para controlar el
flujo de ingreso desde
la tubería de presión hacia la turbina, la misma que para su
operación se
manejará eléctricamente con corriente continua.
-
- 40 -
7. Se prevé la implementación de un sistema de corriente
continua, compuesto por
un banco de baterías y un cargador automático para alimentar los
equipos y
sistemas eléctricos de la central.
8. Los criterios para el diseño eléctrico del sistema de
control, medida y protección
de la minicentral, toman en cuenta los siguientes aspectos:
• Que se trata de una central que estará medianamente atendida
durante su
funcionamiento.
• Que su construcción sea factible de realizarla localmente y
que su tecnología
sea de fácil aprendizaje para el personal de operación, que por
obvias razones
no dispondrá en principio del adecuado conocimiento del
sistema.
• El sistema de control, medida y protección, utiliza las
experiencias que tiene el
país de minicentrales de características similares, que nos
permitan su
mejoramiento y optimización. Para el efecto, se recoge un récord
de las fallas
más comunes que se han presentado durante el funcionamiento de
estas
pequeñas centrales.
9. El sistema eléctrico de la minicentral requiere la
implementación del diseño de
una subestación de elevación, en razón de que los usuarios se
encuentran
diseminados a distancias de hasta 10 Km, a la redonda.
2.3 SISTEMA ELÉCTRICO A SER DISEÑADO PARA LA MINICENTRAL
En función de las consideraciones de selección establecidas en
el numeral anterior,
se expone a continuación, la propuesta de diseño del sistema
eléctrico de la
minicentral hidroeléctrica de 100 KW, destinada al sector de La
Florida.
-
-41 -
En esta propuesta, se exponen los detalles generales del equipo
y en los capítulos
siguientes, se justifican y especifican más ampliamente los
componentes y sistemas
diseñados.
La composición de esta propuesta es la siguiente:
1. Un sistema de generación que dispone de;
Termistores en los devanados del estator del generador, como
protección contra
elevadas temperaturas, provocadas por fallas de origen mecánico
o eléctrico.
2. Un sistema de regulación de velocidad del tipo eléctrico -
electrónico con
disipación o control de carga que constará de:
-
- 4 2 -
Los bancos de resistencias, están ubicados en una sala
independiente del resto del
equipo electromecánico de la central, que debe disponer de una
buena ventilación
para permitir la libre circulación del aire caliente que provoca
el funcionamiento de
la carga auxiliar resistiva.
El sistema supervisor de control electrónico, por razones de
carácter funcional, se
ha planeado ubicarlo en el tablero de control principal de la
central. El sistema de
tiristores, equipo de medida, protección, señalización, etc., se
instalan en un panel
independiente, al que se le denomina "Panel de Control de Carga
del Regulador de
Velocidad" o simplemente Panel de Control de Carga.
3. Un "Panel Principal de Control y Protecciones" de la central,
que dispone del
siguiente equipo:
(a) Instrumentos de medida tales como: amperímetros de corriente
alterna y
continua, voltímetros de corriente alterna y continua,
frecuencímetro, medidor de
potencia activa, contador de tiempo.
Ei nivel de tensión en alterna para estos aparatos será 220/110
V y los
transformadores de corriente que se utilizan para los
amperímetros, serán de
relación 5 Amperios en secundario.
En el caso del amperímetro y voltímetro de corriente continua,
éstos tendrán las
características corriente - voltaje, impuestas por los equipos
usuarios, del sistema
de corriente directa de la central.
(b) Equipo de maniobra, mando y protección, compuesto por:
-
-43-
Este interruptor conecta el generador de la central con la carga
externa de la
central a través de la subestación de elevación.
-
-44-
(f) Sistema de señalización que dispone de las partes
siguientes:
* Una central de alarmas luminosas, localizada en la parte
frontal del tablero
principal de control, que informa sobre el estado de
funcionamiento del equipo
de la central.
Estas alarmas son las siguientes:
-Interruptor de carga abierto
-Interruptor de carga cerrado
-Baja frecuencia
-Nivel normal de agua
-Nivel máximo de agua
-Válvula de entrada de agua en operación
-Válvula de entrada de agua abierta
-Válvula de entrada de agua cerrada
-Alabes abiertos
-Alabes cerrados
-Cargador de baterías conectado
Las alarmas indican al operador, realizar las maniobras
adecuadas para corregir el
funcionamiento de la central, si ese es el caso.
*> Se utilizan relés auxiliares de señalización con banderas
de color, para indicar
las fallas de la central. El listado de fallas, que se
encontrará a través de las
banderas de los reiés auxiliares, son las siguientes:
-Falla a tierra de la línea de distribución de alta tensión.
-Sobrecarga eléctrica del generador
-Alta temperatura en bobinas del generador
-Sobrevoltaje del generador
-
- 45 -
-Bajo voltaje del generador
-Sobre velocidad
-Baja velocidad
-Bajo nivel del agua
-Falla de funcionamiento del cargador de baterías
-Alabes de la turbina cerrados
(g) Otros elementos eléctricos, tales como: borneras de
conexión, aisladores,
regletas de soporte, conectares, cables de fuerza, cables de
control, canaletas
plásticas para cables de control, etc.
4. Un sistema de corriente continua, compuesto principalmente
por:
*> Un cargador automático de corriente continua de 24 Voltios
y de capacidad
nominal de 20 Amperios.
*> Un banco de baterías que consta de 2 baterías de 125
Amperios/horas, de 19
placas, 12 voltios, tipo ácido. Estas baterías estarán montadas
sobre un rack
metálico.
5. Una válvula de entrada de agua, de compuerta tipo lenteja,
cuya operación de
apertura y cierre se maneja eléctricamente con corriente
continua.
Se utilizará un motor-reductor para el accionamiento de la
válvula. El motor
eléctrico que entregará el torque mecánico para su operación,
será del tipo shunt,
en razón de requerir que la velocidad permanezca aproximadamente
constante
ante variaciones de la carga, como suele ocurrir durante las
operaciones de cierre
y apertura de la válvula. La potencia calculada del motor es de
1/2 HP, para una
tensión de 24 voltios y velocidad de 1800 RPM. El reductor
mecánico de velocidad
tendrá una velocidad de salida de 225 RPM y el torque requerido
estará en función
de la potencia del motor.
-
-46-
El equipo auxiliar de control, protección, mando y señalización
están ubicados en el
Tablero Principal de Control y Protecciones de la central.
Únicamente el motor
eléctrico y los microsuichs de fin de carrera que controlan su
cierre y máxima
apertura, se localizan junto ai cuerpo mecánico de la
válvula.
Como se había señalado anteriormente al hablar de las
protecciones, cuando
ocurren cierto tipo de fallas, la primera maniobra que comandan
es la operación de
cierre de válvula de entrada, a través del circuito eléctrico de
control de esta.
6. La central dispone de una subestación de elevación, para
alimentar la línea de
distribución de alta tensión, que deberá construirse para
atender a los
consumidores, localizados en muchos casos en un radio de hasta
10 Km.
Los componentes de la subestación son los siguientes :
*> Un transformador trifásico de elevación de 125 KVA,
13200-7620/220 Voltios, 60
Hz., sumergido en aceite, conexión YNd5, con taps de ± 2,5 y ±
5% sobre y bajo
el voltaje nominal.
*> Una torre de salida a la línea de distribución de alta
tensión que conste de:
-2 postes de hormigón de 11 mts.
-3 pararrayos de 10 KV
-3 seccionadores monofásicos tipo abierto, 100 Amp., 7.8/15
KV
-4 crucetas de 2.40 mts.
-Conductores, herrajes, conectores, varillas de copperweld,
luminarias, etc.
-
-47-
7. Se prevé diseñar los siguientes sistemas eléctricos
complementarios, de la
minicentral;
*> Una malla de tierra, que cubrirá todo el área de la casa
de máquinas y
subestación, que consta de varillas de copperweld, conectores y
conductor de
cobre desnudo, calibre # 1/0 AWG.
*> Un sistema de instalación eléctrica para alumbrado y
tomacorrientes de casa de
máquinas. El alumbrado de casa de máquinas es interno y
externo.
En las instalaciones de alumbrado, se utilizarán luminarias con
lámparas de vapor
de mercurio para la zona externa y del tipo incandescente para
el alumbrado
interno de la casa de máquinas.
8. Para completar el diseño eléctrico de la central, es
necesario que se conozca
las características del equipo mecánico de la central, que de
una u otra forma
incide en el presente diseño:
Se prevé utilizar poleas y bandas como mecanismo de transmisión
de velocidad,
entre la turbina y el generador.
-
48-
apertura de los alabes y obviamente del conocimiento del valor
de la carga a
servirse.
Sí como ocurre en la puesta en servicio de minicentrales, que
sirven a sistemas
rurales aislados, generalmente un máximo de hasta el 40% de la
potencia nominal
de la central, requiere inicialmente garantizarse, por lo que en
ese caso, no hace
falta abrir completamente los alabes, sino aproximadamente hasta
la mitad de su
rango de apertura.
Con esta forma de funcionamiento y control de apertura de los
alabes de la turbina,
se logra reducir el gasto del caudal de agua y el inútil
desgaste de las bobinas del
generador y de las resistencias de la carga auxiliar, provocado
por el paso de la
corriente eléctrica correspondiente a una permanente y máxima
apertura de los
alabes y portante, a un trabajo de la central a su potencia
nominal.-
*> Dos microsuichs fin de carrera, para indicar la posición
de los alabes
completamente abiertos o completamente cerrados, son los únicos
elementos
eléctricos, que se montan sobre este mecanismo de la
turbina.
9, Un total de 22 planos (del P1 al P22), recogen el diseño
completo del sistema
eléctrico de la minicentral La Florida. Para tener una idea
general de la
instalación, en los planos P1 y P21, se presentan el diagrama
unifilar del
sistema eléctrico y la disposición del equipo electromecánico en
planta,
respectivamente.
-
DETERMINACIÓN DE LAS CARCTERISTÍCAS TÉCNICAS DEL SISTEMA DE
GENERACIÓN DE LA MINICENTRAL
3.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE GENERADOR
El generador se encarga de convertir la energía mecánica rotante
de la turbina en
energía eléctrica y constituye el equipo más costoso en el
sistema eléctrico de una
central.
Como se menciona en el capítulo anterior, son dos tipos de
generadores, los
factibles de utilizarse en minicentrales hidroeléctricas:
• Generadores sincrónicos
• Generadores asincrónicos o de inducción
La mayor diferencia entre un generador asincrónico y un
sincrónico, radica en que
ei este último, tiene la gran ventaja de generar su propia
energía de excitación,
mientras que el asincrónico, requiere de una fuente externa de
energía reactiva
para crear el flujo magnético giratorio de excitación.
Precisamente las características de la carga a servir, son los
parámetros
fundamentales que nos ayudan a definir, el tipo de generador a
instalarse en una
central.
Los generadores asincrónicos, pueden ser utilizados para
alimentar una red
aislada, sobre todo cuando se trata de instalaciones simples,
que sirven para
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA
-
- 50 -
satisfacer necesidades domésticas, calefacción, cargas
resistivas, que en general
tienen un factor de potencia prácticamente fijo.
Cuando las características de la carga a servir, poseen un
factor de potencia que
varía constantemente, la utilización de un generador asincrónico
complica la
alimentación a la carga, en razón de requerir un sistema
complejo de compensación
automática de corriente reactiva, que" permita mantener un nivel
adecuado de
voltaje en forma permanente y sin mayores variaciones.
Los cuadros No. 2 y No. 3 que a continuación se transcriben, son
recomendaciones**
tomadas del manual técnico de la fábrica francesa de generadores
LEROY-
SOMER, en donde se resume la aplicación del tipo de generador,
en función de las
características de carga a servir, de la forma de conectarse con
la red externa y de
su potencia nominal.
Baja potenciaCalentamiento de aire o aguaIluminaciónPequeños
electrodomésticos
Generador Asincrónico
Carga con factor de potencia variableNumerosos motores
eléctricos Alternadores Sincrónicos
CUADRO No. 2.- Selección del Tipo de Generador según las
características decarga de un Sistema Eléctrico Aislado
-
_ R1 —*J J.
Baja, hasta 50 KW.Aproximadamente
Generador Asincrónico Generador asincrónico depreferencia
Mediana, de 50 KW. A5MW aproximadamente
Generador asincrónicopreferencia
de Alternador sincrónico depreferencia
Alta, más de 5 MW. Alternador sincrónico Alternador
sincrónico
CUADRO No. 3.- Condiciones habituales de utilización de
GeneradoresSincrónicos y Asincrónicos
Con los antecedentes citados, se establecen a continuación las
condiciones técnicas
específicas de funcionamiento de la minicentral, que justifican
la definición del tipo de
generador:
• El generador funcionará alimentando un sistema eléctrico
aislado, en donde no
se prevé la existencia de ningún otro generador de potencia. En
este caso, la
gran ventaja de un generador sincrónico radica en su capacidad
de producir su
propia energía reactiva, mientras que e! generador asincrónico
requiere de una
fuente externa.
• La carga a servir el sistema, contempla la industrialización
de la energía
eléctrica, mediante la instalación de talleres artesanales y
pequeñas fábricas
que se dedicarán a la agro industria, explotación maderera,
etc!, lo que
implicará |a existencia de numerosos motores de inducción que
demandarán un
continuo flujo de energía reactiva y provocarán un constante
cambio del factor
de potencia de la.carga.
Para este caso, el generador sincrónico se acopla perfectamente
y en forma natural
a estas características de la carga, mientras que, el generador
asincrónico
demandará de un complejo y costoso sistema de compensación
automática de
corriente reactiva.
-
- 52 -
• Finalmente se considera como otra ventaja, la facilidad de
adquisición en el
mercado local, pues sus características técnicas requeridas
están
estandarizadas y los fabricantes los construyen
habitualmente.
En función de las consideraciones técnicas expuestas, con
respecto a estos dos
tipos de generadores y las recomendaciones que se señalan en [os
dos cuadros
No, 2 y No. 3, se puede concluir que el generador seleccionado,
para utlizarse en la
minicentral La Florida, es del tipo sincrónico.
En adelante cuando se haga referencia al generador, se entenderá
que se trata de
un generador sincrónico.
3.2 EL GENERADOR SINCRÓNICO Y SUS PRINCIPALES
CARACTERÍSTICAS
TÉCNICAS
Una máquina sincrónica, es aquella máquina de corriente alterna
cuya velocidad
en régimen permanente, es proporcional a la frecuencia de la
corriente que
alimenta su inducido.
Los dos mayores componentes de un generador son el rotor y el
estator. El rotor
llamado también inductor, lo constituye el ensamblaje rotatorio,
al cual se aplica el
torque mecánico de la turbina (para el caso de una central
hidroeléctrica); el
componente estacionario se denomina estator o inducido.
La disposición de estos dos componentes del generador, vienen
impuestos por
razones prácticas de construcción, pues es preferible que el
devanado inductor de
menor potencia, esté situado en el rotor y el devanado de mayor
potencia, se sitúe
en posición fija estacionaria.
-
- 53 -
El devanado del inducido trabaja con corriente alterna, mientras
que el inductor lo
hace con una corriente continua de excitación, salvo
excepciones, los generadores
sincrónicos utilizados en minicentrales hidroeléctricas, son
trifásicos, en virtud de
las ventajas que este sistema ofrece en la producción,
transmisión y utilización de
una potencia eléctrica dada,
3.2.1 VARIABLES DEL GENERADOR SINCRÓNICO
De la teoría de funcionamiento de un generador sincrónico, se
puede establecer
que existe dos variables de entrada que son: el voltaje o
corriente de campo Ve ó le
y el torque mecánico T. Indirectamente el voltaje a los bornes
del generador Vt,
que dependerá de la carga conectada y la corriente generada
I.
Las variables de salida son la frecuencia f y la corriente
generada I, pero por
criterios de dimensionamiento eléctrico y operación, interesa ei
voltaje en bornes
Vt, la potencia activa P y la potencia reactiva Q entregada por
el generador, siendo
estas variables, funciones de la corriente I y de la carga
acoplada que no
necesariamente es constante y que casi siempre es
resistiva-inductiva, como
ocurre generalmente en sistemas aislados.
Por lo tanto, en un sistema eléctrico de generación se tiene dos
señales de entrada
y cuatro de salida, existiendo una ínter relación entre estas
variables, donde el
grado de correspondencia entre estas, es mayor en ciertos casos,
dependiendo de
las características del sistema (Figura 3-1).
En un sistema de generación, existe una relación directa entre
el torque mecánico
T y la velocidad del sistema o lo que es lo mismo su frecuencia
f; así mismo se
puede anotar que, la magnitud del voltaje Vt puede ser
controlada y fijada,
mediante la manipulación de la corriente de campo le.
-
-54 -
Para el caso de la potencia generada, de igual manera, se tiene
que la variación de
corriente de campo, afectará la salida de la potencia reactiva
únicamente. En
cambio una variación en la velocidad de la turbina, afectará
principalmente la salida
de la potencia activa.
Aquí cabe mencionar además, que existe también una interrelación
entre torque y
potencia reactiva, pero en todo caso es mínima, en comparación
con las otras
variables.
En la figura No. 3-1, se ha representado el grado de relación
entre las diferentes
variables del generador sincrónico, en el cual las líneas
continuas significan que
existe una gran relación entre ellas, mientras que, las líneas
punteadas indican que
su relación es muy débil.
PARÁMETROS BE ENTRADA:
PARÁMETROS DE SALIDA:
le ,n..,,,,
T M.,.....(,
P „„,„,
Q .....
Vt t .....
f ...... ....
,,.,,Corrlen'te de excitación
.,„.. Potencia activa
Potencia reactiva
........VoltaJe en bornes.... Frecuencia eléctrica
ENTRADA SALIDA
FIGURA 3-1.- Grados de relación de las variables de un generador
sincrónico
-
- 5 5 -
Lo expuesto puede analizarse mejor, en base de las ecuaciones de
potencia de la
máquina sincrónica, que se obtiene del diagrama fasorial de la
figura No. 3-2 (b),
de donde podemos expresar la ecuación de la potencia activa
generada, como en
la fórmula No. 3.1, en donde se deprecia la resistencia ( /R a /
< < / X s / ) .
P= /V t / /Eg/sen. 5 (3.1)
Xs
Observando la fórmula anterior, se establece que para un voltaje
de excitación
constante, la potencia real, es función únicamente del ángulo 6
y por lo tanto, del
torque de entrada al generador.
La potencia máxima real ocurre entonces, cuando 5 = 90°.
De idéntica forma, se obtiene la expresión correspondiente para
la potencia
reactiva:
Q = / Vt /./ Eo / eos 5 - /Vt /2 (3.2)
Xs Xs
Donde se puede observar que:
Q > 0 Si: /E g / cos5>Vt
Q < 0 Si : /Eg/cos6 < Vt
Los generadores que tienen la primera característica, se
encuentran
sobreexcitados y suministran potencia reactiva al sistema; los
generadores que
tienen la segunda característica, se encuentran subexcitados y
absorben potencia
reactiva del sistema.
-
-56 -
Ra
(a)
vt
Dar
(b)
I.Xs
FIGURA No. 3-2.- (a) Circuito equivalente de una máquina
sincrónica (b)Diagrama vectorial de un generador sincrónico con
factor de potencia enatraso.
Del análisis anterior, puede concluirse que la Potencia Reactiva
Q, puede ser
controlada de una manera directa y continua, tanto en magnitud
como en dirección
vectorial en función de / Eg/, es decir variando la corriente de
excitación le.
Observando las ecuaciones No. 3.1 y 3.2, determinadas para la
potencia Activa P y
Reactiva Q respectivamente, miramos que un incremento en el
ángulo 5 causa un
cambio mayor en P, mientras que no ocurre una variación tan
apreciable en Q.
El factor de potencia eos S, es otro de los parámetros del
generador sincrónico que
depende de la potencia reactiva; por lo tanto, al realizar el
control de la potencia
reactiva Q, mediante la variación del campo de excitación,
significa que también se
realiza el control del factor de potencia del generador.
-
-57 -
El factor de potencia al que trabaja un generador, tiene su
