GENERADORES

229

CAPÍTULO VIII

GENERADORES

8.1 INTRODUCCIÓN

En los generadores de corriente continua la existencia del colector hace

necesario que sea el inducido el elemento giratorio o que las escobillas

giren con el inductor. Como los alternadores no necesitan colector, no es

preciso que sea el inducido el que gire. Es difícil disponer de espacio

suficiente para el cobre en la superficie de un inducido, si el que gira es el

inducido, la posibilidad de ahondar las ranuras queda limitada por la

reducción del espesor de la base de los dientes, no se presentan estas

dificultades cuando se trata de inducidos fijos, puesto que las bases de los

dientes situados entre las ranuras aumentan si se hacen más profundas.

Ver Fig. 8.1. 1

Fig. 8.1 Dientes en el rotor y estator de una máquina.

Como el inducido funciona en general a una tensión mucho más alta que

el inductor, se requiere un aislamiento mucho mayor. El espacio preciso

para este incremento del aislamiento es fácil conseguirlo en las profundas

ranuras del estator.

Los generadores empleados en turbinas hidráulicas, son los generadores

de polos salientes (Fig. 8.2), los cuales, tienen características muy

diferentes según sean accionados por turbinas lentas o rápidas. Hasta un

1 DAWES CHESTER, Corriente Alterna; Edit Gustavo Gili. 1974 Pág. 167.

CENTRALES ELÉCTRICAS

230

cierto diámetro el rotor puede ser fabricado de una sola pieza de acero

forjado y de buena calidad, los polos se fijan a la superficie externa de la

rueda por medio de ranuras en cola de milano y con sólidos bulones.

Sobre los polos, se fijan los arrollamientos de corriente continua

destinados a crear el campo correspondiente.

Fig. 8.2 Generador

Los alternadores destinados al acoplamiento coaxial con las turbinas

hidráulicas deben adaptarse a la variada gama de velocidades de la turbina

y cumplir además las exigencias mecánicas que son; el momento de

inercia de la masa giratoria y los esfuerzos a que se hallan sometidos

cuando se alcanza la velocidad de fuga.

Fig. 8.3 Generador Planta Botijlaca(Zongo)

GENERADORES

231

8.2 TENSIÓN Y POTENCIA DEL GENERADOR

La tensión de generación más conveniente cuando la planta deba servir a

una carga local preexistente, es obviamente la de la carga en cuestión, por

que así se elimina la doble transformación de la energía y se reduce al

mínimo el equipo de la planta, si la situación anterior no se presenta,

entonces la tensión de generación debe ser escogida tomando en cuenta el

costo del equipo, que varía con la tensión en cuanto al aislamiento de los

cables, boquillas de transformadores e interruptores, aisladores de

estructuras, etc. y con la intensidad de la corriente en cuanto se refiere a

conductores, desconectadores, interruptores, etc. Por que si, se escoge una

tensión baja, se gasta mucho en cobre y poco en aislamiento, y si se toma

una tensión alta, se gasta mucho en aislamiento y poco en cobre.

En un generador es siempre mejor utilizar el menor número de barras por

ranura, por que el espacio devanable se aprovecha más, y en tanto las

barras sean del tipo transpuesto, el efecto Kelvin será de poca

significación, lo cual quiere decir que la tensión elegida tenderá a ser la

menor. Un factor importante es el escalonamiento comercial de los

elementos de control más necesarios, o sea los interruptores y

transformadores de corriente. La siguiente es una escala común para los

interruptores.

Amperios 200 - 300 - 400 - 600 - 800- 1200- 1600- 2000

Voltios 600 - 2500 - 5000 - 7500 - 15000 - 25000

Cualquiera de las capacidades en amperios puede ser obtenida en

interruptores de 7500 voltios o menos; pero no se fabrican para 15000

voltios con menos de 400 amperios; ni de 25000 voltios con menos de 600

amperios debido a que, costarían lo mismo que estos prácticamente con

menor capacidad.

En consecuencia, para aprovechar al máximo el equipo interruptor

conviene que la corriente normal, aumentada 25 % sea algo menor que

alguno de los escalones de intensidad y que la tensión normal aumentada

un 10 %, sea igual a alguno de los escalones de potencial.

Otros factores son la seguridad y el crecimiento, respecto al primero hay

más probabilidad de falla en el aislamiento en tensiones elevadas que en

CENTRALES ELÉCTRICAS

232

medianas o bajas. Respecto al segundo, la certidumbre de que en el futuro,

será instalada una máquina de mayor capacidad de las actuales,

predispone a elección en favor de la tensión más alta.

Las tensiones de generación más conocidas son 525, 3300 y 6600 voltios.

El rotor de un generador debe girar a la velocidad de sincronismo, la

cual es controlada por la turbina y depende también del flujo

magnético que es generado por el campo de corriente continua que corta

las bobinas del estator. El valor exacto del voltaje generado en el

estator es controlado por la corriente de excitación en los bobinados

del campo mientras que la frecuencia es controlada por la velocidad de

giro de la máquina. La potencia de generación del alternador es

controlada por el par mecánico aplicado al eje del alternador de la

turbina.

8.3 PARTES COMPONENTES DE UN ALTERNADOR

Los alternadores accionados por turbinas hidráulicas pueden ser de eje

horizontal o vertical. Como el acoplamiento mecánico de los alternadores

es más sencillo si se colocan sobre la turbina, los tipos verticales son más

utilizados. Sin embargo, los alternadores accionados por turbinas Pelton

son, en general, horizontales. Un alternador está compuesto por las

siguientes partes.

8.3.1 ESTATOR O INDUCIDO

Fig. 8.4 Estator Planta Rea-Rea (Colquiri) Inducido y Polos.

GENERADORES

233

El estator u órgano fijo del alternador hace casi siempre de inducido

(Fig. 8.4), siendo el órgano móvil el que hace de inductor, se designa por

ello con el nombre de rotor.

Cuando el alternador está en marcha, el hierro del estator está

continuamente sometido a las variaciones del flujo del campo giratorio y

debe, por tanto, construirse con chapas para reducir las pérdidas por

corrientes parásitas. En máquinas de poco diámetro, cada una de las

chapas forma ordinariamente un disco completo. En los tipos mayores de

máquinas rotativas, el hierro del estator se compone de segmentos

circulares superpuestos, que se fijan a la estructura bien mediante colas de

milano, bien con pernos. En la figura 8.5 (a) se representa un segmento

estampado del tipo que se fija con pernos para máquina de velocidad

media, y en (b) uno con colas de milano para alternador accionado por

turbina de vapor. Debe observarse el ancho mayor del hierro que queda en

el fondo de las ranuras. En (c) se ha representado un segmento con

ventilación para acoplarlo a otros del tipo (b) con el fin de dejar conductos

internos que aseguren la ventilación del núcleo del estator.

Fig. 8.5 Segmentos estampados para estator: a) Baja velocidad; b) para

accionamiento para turbina de vapor; c) Segmento para conducto de

ventilación.

a)

b) c)

CENTRALES ELÉCTRICAS

234

Con frecuencia, las chapas tales como la (b) están perforadas para que

formen conductos longitudinales de aire. Las chapas de acero están

aisladas entre sí para evitar el calentamiento de las mismas debido a las

corrientes parásitas o de Foucault y este calentamiento se traduce en

pérdidas de potencia de la máquina.2

8.3.2 ROTOR O INDUCTOR

La parte móvil del alternador se denomina rotor, que para turbinas

hidráulicas tiene generalmente polos salientes formados de hierro macizo

o chapas magnéticas para evitar pérdidas por calentamiento. En los polos

están situados los devanados de excitación (Figs. 8.6 y 8.7), y todo este

conjunto está muy bien constituido para evitar destrozos causados por las

elevadas fuerzas centrífugas.

Fig. 8.6 Alternador en montaje Rotor de Alternador

Las bobinas de campo de los alternadores de pequeña capacidad se

confeccionan ordinariamente con conductores de sección rectangular, con

cubierta de algodón completamente impregnada; en los alternadores de

tipo mayor se emplean bobinas devanadas con cinta de cobre,

2 DAWES CHESTER; Corriente Alterna, Edit. Gustavo Gili, 1974, Pág. 178

GENERADORES

235

frecuentemente aisladas con mica, fijadas a altas temperaturas.

Fig. 8.7 Bobinas de piezas polares.

8.3.3 CARCASA

Es la parte externa del alternador que sirve para soportar el estator y

comprende; la cubierta, la base y los cojinetes o descansos. Presenta

orificios para la ventilación y soporta los portaescobillas del colector de la

corriente de excitación del campo.

8.4 FACTOR DE POTENCIA3

Si se tiene una tensión alterna U que alimenta I, se llama cos al coseno

del ángulo de desfase de la intensidad con respecto a la tensión. Si la

corriente es sinusoidal, el cos se llama factor de potencia y por el cual

es preciso multiplicar U I para obtener la potencia absorbida por dicho

receptor.

Fig. 8.8 Diagrama Vectorial de un alternador para factor de potencia cos θ y

corriente retrasada.

3 Zooppeti Gaudencio, CENTRALES HIDROELÉCTRICAS. Edit. G.Hill 1983

CENTRALES ELÉCTRICAS

236

Un mal cos en una instalación es perjudicial, tanto para el industrial

como para la empresa generadora de energía, por que exige mayores

potencias aparentes para los alternadores y transformadores (Fig. 8.8).

Debido a las multas que imponen las empresas generadores a los

industriales cuyo factor de potencia es bajo, el industrial debe mejorar el

factor de potencia de su instalación llevándolo próximo a la unidad. Las

compañías distribuidoras de energía están interesadas en suministrar la

energía con un factor de potencia próximo a la unidad. Los alternadores de

las centrales, y todos los transformadores en cascada desde el punto de

utilización, tienen mayores posibilidades de potencia con un buen cos y

su rendimiento aumenta, las pérdidas en las líneas de alta y baja tensión se

reducen al mínimo con un cos próximo a la unidad.

Para mejorar el factor de potencia es necesario disminuir la energía

reactiva consumida por el conjunto de los receptores, comprendidos los

transformadores.

Fig. 8.9 Alternadores trifásicos que trabajan en paralelo y equipados con

reguladores estáticos compensados que aseguran el funcionamiento de

todas las máquinas con el mismo factor de potencia.

Para crear el equilibrio más aproximado respecto a la distribución,

producción y consumo de las energías activa y reactiva se prefiere

proceder a la producción de energía con un cos = 0,85 valor que

suele variar de manera poco significativa de acuerdo a los criterios de

GENERADORES

237

quienes tienen a su cargo la parte de la producción de la energía.

Es necesario tener presente que un alternador trabajando con un factor de

potencia elevado, reduce el margen de estabilidad del voltaje y del par

sincronizante, normalmente el factor de potencia de un alternador varia

entre 0,8 y 0,9, valores con más ventajas constructivas como operativas, ya

que un valor de cos mayor a 0,9 es más costoso y un valor de cos

menor a 0,85 exige un campo inductor más potente.

8.5 EXCITACIÓN DE LOS GENERADORES3

La excitación de los generadores se realiza por medio de corriente

continua que recorre el circuito de las bobinas inductoras del rotor. El

sistema de excitación comprende las máquinas y aparatos cuyo objeto es

suministrar la energía para excitar el alternador.

Hay que tener presente que el papel de un sistema de excitación no

consiste sólo en suministrar permanentemente una potencia fija, sino que

debe desarrollar la potencia que convenga y modificarla tan rápidamente

como sea posible. En la práctica, no es posible mantener constante la

tensión de una generatriz y por tanto de evitar las variaciones que causan

las perturbaciones o los cambios de carga. Por ello se pueden evaluar las

cualidades intrínsecas de un sistema de excitación según la rapidez con la

cual es capaz de restablecer el valor requerido de la tensión. La misión que

debe realizar el sistema de excitación puede, pues descomponerse en dos

partes; la primera consiste en mantener la intensidad de corriente rotórica

en un valor necesario durante la perturbación o el cambio de carga, y la

segunda precisa el restablecimiento tan rápido como sea posible del valor

prescrito de la tensión en los bornes de la generatriz desde que se produce

la variación del voltaje, es decir, las dos misiones requeridas pueden ser

expresadas de este modo: mantenimiento de la tensión en el

entrehierro, concepto éste que se define como la tensión inducida

correspondiente al flujo en el entrehierro, y mantenimiento de la tensión

en los bornes del generador.

Para apreciar una máquina de corriente continua como tal excitatriz, es

preciso por consiguiente conocer la rapidez con la cual reacciona a una

impulsión de corriente, y la potencia que precisa poner en juego para

provocar esta reacción. Se dice que una máquina tiene una excitatriz de

CENTRALES ELÉCTRICAS

238

respuesta rápida cuando, siendo su tensión nominal de 200 voltios, la

elevación del voltaje es al menos de 600 volt/seg o relacionado con la

tensión nominal, de 300% seg.

La figura 8.10 muestra la curva de la tensión en los bornes de un

alternador que sirve como definición que ha sido adoptado universalmente

de la velocidad de respuesta nominal de una excitatriz.

Estando la máquina en circuito abierto y regulada para dar su tensión

nominal Un a la velocidad normal, se pone bruscamente en cortocircuito la

resistencia de reglaje y se traza la curva U=f(t). Se toma Δt=0,5 seg,

trazando además una recta tal que las dos superficies a y b sean iguales.

La relación ΔU/Δt es la velocidad de respuesta nominal que viene

expresada en voltios por seg.

Si se quiere mantener constante la tensión en los bornes de una generatriz,

es necesario que el sistema de excitación este provisto de un elemento que

sea capaz de influir sobre la intensidad de corriente, y preciso también que

la variación de esta corriente sea tan rápida como ello es posible. Si se

designa por E la tensión aplicada a los bornes del arrollamiento de

excitación, por L la inductancia de este arrollamiento y por R su

resistencia, la velocidad de la variación de la corriente rotórica, durante los

fenómenos transitorios viene dada por la relación:

U

b

U

a

Un

t

t Fig. 8.10 Curva que define la velocidad de respuesta de una excitatriz.

GENERADORES

239

tL

R

eL

E

dt

di

El cociente R/L es el valor de la constante de tiempo; en el instante t = 0

se tiene:

di E

dt L

La velocidad inicial del aumento de la corriente depende entonces de la

tensión E y de la inductancia L, pero no de la constante de tiempo del

arrollamiento de excitación.

Supongamos que la corriente rotórica debe adquirir doble valor con la

mayor rapidez posible. Haciendo abstracción del fenómeno de saturación

es preciso entonces que la tensión desarrollada por la excitatriz adquiera

también un valor doble. Si este pudiera ser obtenido instantáneamente, la

corriente rotórica aumentaría según la ley exponencial conocida. El

crecimiento inicial que en numerosos casos es decisivo, se determina a

partir de la última ecuación; pero si el aumento de corriente fuera lento

hubiera que remediarlo con una elevación superior y momentánea de la

tensión, la cual se puede realizar de las dos maneras siguientes:

- Se aumenta la resistencia del circuito del rotor en la misma proporción

que la tensión de excitación, con lo cual se reduce la constante de tiempo

del circuito considerado y se aumenta la potencia en juego en el circuito

de excitación, pero a expensas de la excitación cuya potencia debe ser

mayor. Estas mismas consideraciones podrían ser aplicadas a la excitatriz

misma y en cierta medida al regulador.

- Se puede dar momentáneamente a la tensión de excitación un valor

superior al que debería tener al final de período transitorio. Este método

exige disponer de aparatos de regulación especiales y que son aplicados

corrientemente cuando las potencias en juego son importantes.

8.6 TIPOS DE EXCITACIÓN4

8.6.1 Excitación por medio de una excitatriz (autoexcitada en

4 ZOPPETTI; Centrales Hidroeléctricas, Edit. Gustavo Gili, 1974. Pág. 212 y siguientes.

CENTRALES ELÉCTRICAS

240

derivación) coaxial con el rotor del alternador, y con regulación de la

corriente por medio de reóstatos de campo de la excitatriz y del

alternador.- (Fig. 8.11) Este sistema tiene el inconveniente de que resulta

inestable en la zona de regulación para bajos valores de la tensión,

produce sensibles pérdidas en los reóstatos de regulación y tiene una

velocidad de respuesta baja.

Por otra parte, no permite una regulación gradual afinada para bajos

valores de la tensión y de la corriente excitadora; en la zona inicial de

aquellos es muy inestable. La inestabilidad se acusa especialmente con

cargas cuyo factor de potencia se aproxime a la unidad, y sobre todo en el

caso de subexcitación, que se manifiesta cuando el generador esta en

servicio sobre redes muy capacitivas.

En la figura 8.11 se muestra la característica en vacío de una excitatriz

autoexcitada. La máquina reacciona con más o menos velocidad según sea

la forma de la característica. En el caso supuesto la reacción es más rápida

para la curva b que para la a. El sistema descrito se emplea solamente en

generadores de reducida potencia.

8.6.2 Excitación por medio de un grupo de excitación coaxial con el

rotor del alternador constituido por una excitatriz, excitada con otra

auxiliar (excitatriz piloto), es decir, una excitatriz con excitación

separada.- Este sistema es el normalmente empleado en los alternadores

modernos porque con él se elimina el reóstato de campo del generador, se

obtiene una mayor amplitud de regulación y se consigue mayor rapidez de

la variación del flujo inductor del alternador, también se aumenta la

Fig. 8.11 Esquema de

excitación de un alternador

con excitatriz autoexcitada Característica en vacío de una

excitatriz autoexcitada

GENERADORES

241

sensibilidad de regulación, por cuanto esta se efectúa sobre un circuito

secundario (regulable con facilidad y provisto de una graduación muy

fina).

Fig. 8.12 Esquema de excitación de un alternador, por medio de una excitatriz

excitada por otra auxiliar (Piloto).

El hecho de que se pueden obtener pequeñas constantes de tiempo con

excitaciones que giran rápidamente, constituye en ciertos casos un

argumento para el empleo de excitatrices separadas y especialmente

cuando se trata de grandes máquinas con marcha lenta. La energía cinética

de los grupos de excitación debe ser bastante grande para que no pueda

producirse un descenso en el suministro de la corriente de excitación, aun

en el caso de una breve bajada de la tensión de la corriente que alimenta el

motor. Sin embargo, con el empleo de la protección a distancia de las

redes, el riesgo por lo que este extremo se refiere queda alejado, por

cuanto la mayoría de los defectos quedan eliminados en menos de 0,5

segundos.

Debido también a esta rapidez para la desaparición de los defectos no

tiene objeto la superexcitación para el mantenimiento de la estabilidad

transitoria del sistema al producirse un cortocircuito. la superexcitación

exigía excitatrices cuya rapidez de elevación del voltaje era de unos 6000

volt/seg. Se comprende pues que el costo de la excitatriz crezca a medida

que se desea aumentar el valor de la velocidad de repuesta nominal ΔU/Δt.

Como resumen, es necesario indicar que el sistema clásico de excitatriz

con excitación separada satisface todas las exigencias que demanda la

práctica, siempre que se empleen reguladores que cumplan su misión en

forma adecuada.

CENTRALES ELÉCTRICAS

242

8.6.3 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MAGNÉTICA

(Fig. 8.13)

Tiene la característica de ser de costo bajo, no tiene partes en movimiento

y opera con sencillez en cualquier aplicación que no exija respuesta

instantánea. Para fines de regulación es tolerable cierto retardo, puesto que

el flujo magnético del alternador es de por sí lento en sus variaciones

debido a la enorme inductancia del circuito de campo. La amplificación

mecánica, es en general, más lenta que la magnética y, sin embargo, ha

dado resultado satisfactorio.

En la figura 8.13 se muestra un croquis de las principales conexiones del

equipo de amplificación magnética aplicada al excitador shunt E, provisto

de dos devanados adicionales de control C y D, que actúan

alternativamente, el primero para subir el flujo de E, y el segundo para

bajar ese flujo. El devanado F, con su reóstato R, suministra la tensión

básica de excitación del generador A y, además, funciona él solo en

regulación manual. B es un rectificador seco que recibe la tensión de A a

través de los T.P. indispensables y de los elementos de compensación de

caída y corriente circulante no representados, y la entrega rectificada al

amplificador A1, donde es comparada con la tensión de referencia TR, en

forma diferencial.

Fig. 8.13 Excitador con amplificación magnética.

El residuo es sustituido por una corriente tomada de la línea de servicio

especial T.S., de volumen mucho mayor que entra rectificada al

GENERADORES

243

amplificador doble A2, por una u otra de sus entradas, según que la

tensión A sea mayor o menor que la normal, y que sustituida en cada caso

por nuevas corrientes tomadas de la misma línea T.S., son aplicadas a los

devanados C y D a través de los interruptores y de rectificadores incluidos

dentro del cuadro del amplificador 2. la operación es, en resumen, como

sigue: Si la tensión de A baja, el devanado C recibe una corriente poderosa

que refuerza la acción de F, la corriente de campo de A aumenta y su

tensión se recupera. Si por el contrario, la tensión de A sube, entonces el

devanado D, enrollado en sentido contrario a F, recibe corriente y reduce

el flujo de E, baja la excitación de A y su tensión normal queda

restablecida.

Por conveniencia para los amplificadores la línea T.S. es de frecuencia

varias veces mayor que la de A y su corriente proviene de un generador

magneto multipolar, impulsado por motor eléctrico. Además, los núcleos

de los amplificadores están mantenidos en un estado de saturación,

adecuado y necesario para su operación, por la misma corriente

amplificada que pasa en un solo sentido por cada devanado, gracias a los

rectificadores cuádruples asociados a cada amplificador.

8.6.4 EXCITADORES CON AMPLIFICACIÓN MECÁNICA

(Fig. 8.14)

La palabra amplificación debe ser interpretada como la sustitución

proporcional e inmediata de una corriente de energía baja por otra de

energía mayor. Proporcional significa similitud entre las características de

variación de la corriente producida y de la consumida. Inmediata no quiere

decir con retardo nulo sino con un intervalo suficientemente pequeño para

ser tolerado en las aplicaciones ordinarias, ya que no es físicamente

posible cambiar en un instante el valor de los elementos en que descansa

la amplificación cuando esta no es del tipo electrónico.

El origen de la amplificación no es el de generar potencias grandes sino el

de gobernar corrientes de alta energía por medio de reguladores muy

sensibles, rápidos y delicados. En consecuencia, si no hay necesidad de

regulación automática precisa, no tiene objeto el empleo de

amplificadores.

CENTRALES ELÉCTRICAS

244

Fig. 8.14 Excitadores con amplificación mecánica.

La figura 8.14 muestra el principio de la excitación con amplificación en

el piloto P, el cual tiene varios devanados, en general uno o dos de control

C, uno de base B y un tercero, complementario o compensador, no

representado. Su armadura está conectada al devanado de campo adicional

D del excitador principal E, de tipo shunt, pero con dos arrollamientos

polares independientes D y F, de los cuales F es el que proporciona la

excitación básica, mientras D actúa como modificador, elevando o

reduciendo la tensión aplicada al campo de A. Del alternador, y mediante

transformadores de potencia T.P. se deriva una corriente trifásica o

monofásica, que es rectificada primero y luego comparada con la

intensidad de una referencia de cualquier tipo, sea peso, resorte, o una

corriente fija TR, (en el caso de la figura), que proviene de una batería

especial. Si de la comparación resulta que la tensión de A es más alta que

la normal, el devanado C recibirá una corriente débil, pero suficiente para

hacer que P produzca otra corriente varias veces mayor, que, al circular

por D, reduzca el flujo y la tensión de E hasta lo necesario para que la

tensión de A descienda al valor normal. Si la tensión de A es más baja que

la normal, otra corriente pasará por C y al ser amplificada y pasar por D, la

tensión de E subirá, así como la de A. Es posible que las dos corrientes

que pasan por C en uno y otro caso sean de sentido contrario, y que la

polaridad de P se invierta, haciendo D una función de oposición o ayuda

respecto a F; pero también pueden ser ambas del mismo sentido pero de

diferente magnitud y, sin cambiar la polaridad de P. producir un efecto de

oposición de D más o menos grande respecto a F.

GENERADORES

245

Todo depende del tipo de reguladores donde se establece la comparación

entre el potencial de A y la referencia, así como del tipo de amplificación

que tenga P. En condiciones favorables, la regulación de potencial de A

será tan precisa como el regulador que se use, por que cualquier

discrepancia que este aparato reciba, y a la cual responda, será amplificada

cientos de veces produciendo una reacción vigorosa en contra de ella. Si

se tiene un amplificador de dos grados, puede hacerse la amplificación con

una sola máquina, capaz de efectuar dos amplificaciones sucesivas que, en

conjunto, representen la acción combinada del amplificador P y del

excitador E. El amplificador recibe la corriente que viene del regulador y

entrega otra mucho mayor al campo del alternador.

8.7 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN

El sistema más conocido para regular la tensión de un generador excitado

por dínamos, es el reóstato de campo, insertado en serie con el devanado y

la fuente de excitación. La regulación puede ser voluntaria a mano,

voluntaria remota o automática. La primera se hace con reóstatos provistos

de un manubrio o perilla al alcance de la mano en el frente del tablero; la

segundo puede hacerse con reóstatos lejanos comunicados por cables de

acero, cadenas o varillas giratorias, al volante de acción manual, aunque la

mejor es usar reóstatos motorizados, es decir, accionados por motor

eléctrico acoplados a una reducción de velocidad que transmite el pequeño

esfuerzo del motor amplificándolo hasta llegar al eje de una palanca de

contacto. Para que al llegar a los extremos la palanca no se descarrile, o el

motor se frene con los topes, hay interruptores auxiliares que cortan la

corriente del motor cada vez que el operador quiere mover la palanca más

allá del límite, pero dejando libre el circuito de regreso del motor.

La regulación voluntaria es usada durante el período de sincronización en

todas las plantas, y como único sistema en generadoras locales, no

interconectadas, con carga muy poco variable y capital invertido mínimo;

pero no es recomendable ni eficiente en los generadores interconectados o

de servicio de primera clase, los cuales debe tener la regulación

automática.

Sea de un modo o de otro, la regulación puede ser practicada en tres

lugares diferentes:

CENTRALES ELÉCTRICAS

246

a) En el campo del alternador. Cuando el sistema de excitación es

común y la tensión de la planta de corriente continua no debe salir de

ciertos límites, el reóstato es indispensable en el campo de cada

alternador. También es necesario cuando el excitador individual es

Shunt y no puede bajar su tensión lo suficiente para excitar, a tensión

reducida y sin carga en el alternador, o con carga capacitiva.

b) En el campo del excitador. Cuando Este es de excitación separada o

Shunt y no importa que su tensión sea variable.

c) En el campo del piloto. Cuando los excitadores son individuales,

tienen excitación separada y reciben la corriente de campo de un

piloto general.

Es claro que, para cada caso, el reóstato es de dimensiones diferentes, con

resistencia máxima y disipación distintas. La resistencia se determina por

la fórmula.

c

c

e RI

VR ohms.

En la cual, Rc es la resistencia del campo donde se intercala el reóstato; I

la corriente de campo limitada; V la tensión de la fuente de donde se toma

la excitación y R la resistencia total el reóstato que se busca.

El valor de Rc es posible de determinarse mediante un voltímetro y un

amperímetro conectados a los terminales, estando la máquina en reposo

para evitar los errores debidos a perturbaciones magnéticas rotacionales, y

usando la corriente máxima de excitación. Cuando no es posible la

prueba, se calcula Rc tomando el 90% del cociente de los voltios

nominales de excitación entre los amperios de campo a plena carga, si se

trata de alternador o de excitador de campo separado, y el cociente de

voltios tope entre amperios tope, en excitadores Shunt.

Los tipos de regulación automáticos son varios; entre algunas figuran las

siguientes:

GENERADORES

247

8.8 REGULADORES REOSTÁTICOS CON CONTACTOS

RODANTES

Un regulador de este tipo es construcción Brown Boveri y ha sido

adoptado universalmente por las grandes ventajas que reporta. Se

denomina regulador de acción rápida

Su funcionamiento aparece representado en la figura 8.15. Una Bobina T

ejerce sobre su armadura un esfuerzo de tracción que depende de la fuerza

aplicada a sus extremos, y opuesta a esta acción se encuentra el esfuerzo

de un contrapeso G. El movimiento de la armadura hace funcionar el

cursor del reóstato W.

Desde que una u otra fuerza arrastra el núcleo, el sector se mueve hacia

arriba o hacia abajo. Si por ejemplo, la tensión del alternador aumenta, la

punta del sector se desplaza hacia arriba y provoca la inserción de

resistencias en el circuito shunt de la excitatriz para hacer volver la tensión

del alternador al valor necesario.

Se admite que el

esfuerzo de tracción en

el campo utilizado, de la

bobina T, es

independiente del

camino recorrido, es

decir que el esfuerzo de

la bobina T y el

contrapeso G se

equilibran en cualquier

posición cuando la

tensión alcanza su valor

de consigna.

Fig. 8.15 Disposición esquemática del

regulador de tensión de acción rápida

CENTRALES ELÉCTRICAS

248

Hay que observar que un regulador constituido por los elementos

reseñados no sería estable. Debido a la inercia magnética de los circuitos

considerados, la variación de tensión del alternador, sigue con un cierto

retardo la de la tensión excitadora. Cuando la tensión del alternador haya

alcanzado su valor prefijado, la variación de la tensión de excitación habrá

sido demasiado importante, por lo que la tensión del alternador

sobrepasará la tensión de consigna, y ello dará origen al movimiento del

regulador en sentido opuesto y la repetición del proceso en sentido

contrario, es decir, se establecerá el penduleo.

Para obtener una regulación estable, o lo que es lo mismo, para llevar el

regulador por una oscilación amortiguada, a la posición correspondiente al

nuevo estado de equilibrio, se lo provee de un dispositivo de retorno

elástico que produce un estatismo temporal, cuyo dispositivo comprende

un amortiguador D y un resorte de retorno F. En estado estacionario, el

resorte F está aflojado y la palanca H se encuentra en su posición media

con relación al sector.

La construcción del regulador Brown Boveri de sectores rodantes, que

difiere parcialmente de la representación esquemática de la figura 8.15,

viene dada por la figura 8.16, que representa un aparato para corriente

alterna. El aparato se compone de tres partes principales:

1. El sistema que produce la fuerza necesaria al desplazamiento de

los sectores.

2. De la resistencia de regulación que determina la corriente de

excitación.

3. Del dispositivo de retorno a su posición primitiva, elástico, y del

sistema amortiguador, que está acoplado a aquel.

El sistema motor del regulador esta basado en el principio de Ferraris y

comporta principalmente un tambor de aluminio c que se mueve en el

campo giratorio del núcleo del hierro e que lleva los dos arrollamientos, a

y b. El tambor móvil va montado sobre un eje terminado en dos puntas de

acero templado. Estas puntas giran en pivotes de piedras finas, o en

cojinetes de bolas de gran precisión. En uno de los extremos del eje va

fijada la extremidad interior del resorte principal f, mientras que su

extremidad exterior está unida al barrilete, el cual puede hacerse girar por

medio de un tornillo r1. El resorte adicional n, que actúa por medio de una

GENERADORES

249

palanca arqueada, tiene por objeto completar el par del resorte principal,

con el fin de obtener un par que permanezca constante sobre todo el

dominio utilizado o que presente estatismo, generalmente de un 6%. La

resistencia en forma de espirales y cada elemento está conectado a una

lámina de los caminos de rodamiento l. Estos caminos, cuyo número es 1,

2 o 4, según el tipo del regulador, van dispuestos en arco de círculo

alrededor del eje del aparato. Los sectores de contacto s, se desplazan

sobre la superficie interior de dichos caminos de rodamiento. Sus puntas

de acero templado son guiadas prácticamente y sin frotamiento desde el

eje del regulador y por los resortes de apoyo, con piedras finas d.

Fig. 8.16 Regulador de Tensión

Los elementos principales del dispositivo de retorno elástico son los

resortes, q, fijados al sector amortiguador, p, que puede moverse

independientemente, y el disco amortiguador o con sus dos imanes

permanentes m. Sector y disco amortiguador van acoplados por el

segmento dentado del sector y el piñón del disco. El Galet-entrenador h,

sirve de acoplamiento entre el dispositivo de retorno y el eje del sistema

CENTRALES ELÉCTRICAS

250

móvil: desplazando la tuerca r2 se puede modificar la distancia con

relación al eje, y por consiguiente, la pendiente de la característica que

representa el par de frenado en función del ángulo de desplazamiento.

Variando la superficie abrazado sobre el disco o por los imanes m, se

puede hacer variar el esfuerzo del frenado ejercido por los imanes sobre el

disco. Estas dos posibilidades de regulación permiten adaptar

perfectamente el aparato a la inercia del sistema regulado.

La tensión de servicio deseada se obtiene por medio de una resistencia

adicional U (figura 8.16); se puede así modificarla entre ciertos límites,

moviendo debidamente el barrilete por medio del tornillo r1, se prevé un

reóstato de puesta a punto, separado, y en serie con la resistencia U. Ésta

permite ajustar el regulador a la tensión deseada, pudiendo asimismo (por

la resistencia regulable u, conectada igualmente en serie con el

arrollamiento del sistema, y graduable por el cursor x) hacer que la tensión

impuesta por el regulador dependa también de la corriente del alternador;

R, es una resistencia auxiliar.

Cuando se desea que la tensión en los bornes del alternador no se manteng

a constante, pero sí en el extremo de la línea de transporte, será preciso ha

cer actuar también la intensidad de la corriente, por que la caída de tensión

que debe corregirse es función de dicha corriente.5

Fig. 8.16 (a) Tablero de control con reóstato de campo

5 Zoppetti G. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, Edit. G. Gili, 1974 Pag. 216

GENERADORES

251

8.9 REGULACIÓN DE LA TENSIÓN POR MEDIO DE

TRANSISTORES

El transistor es en la electrónica un elemento irreemplazable en los

circuitos. Su empleo en diversas aplicaciones comprueba las múltiples

ventajas que ofrecen, una de ellas, es la construcción de los reguladores de

tensión en los alternadores de gran potencia.

Desde el punto de vista dinámico, una desaparición de la carga en el

extremo de una larga línea de transmisión impone severas exigencias al

regulador de tensión. Este caso, especialmente exige una desexcitación tan

rápida como sea posible del alternador, lo cual sólo puede lograrse por una

fuerte excitación negativa, obligada y mandada por el regulador. La salida

positiva y la salida negativa del escalón de potencia del regulador se han

de prever para la misma potencia.

La figura 8.17 muestra el esquema del principio del dispositivo de la

regulación de voltaje según al sistema Brown Boveri. Se trata de la

regulación de las máquinas de 115 MVA de Grossio (Milán), equipadas

con reguladores de tensión de transistores. El amplificador con montaje

simétrico Y alimenta los arrollamientos de la excitación de las excitatrices

rápidas B1 y B2, que son movidas por el motor C y van montadas en serie.

Ellas a su vez alimentan el arrollamiento de excitación de la excitatriz

principal E. En el caso que nos ocupa el motor C y el rectificador N se

alimentan por el circuito H1 conectado al alternador, o por la red auxiliar

H2 de la central. Cuando es posible se usa con preferencia un alternador

auxiliar montado en el extremo del árbol del alternador para alimentar C y

N. tres retornos contribuyen a la estabilización del circuito de regulación.

Si las condiciones de la red lo imponen, el regulador de tensión por

transistores puede en cualquier instante combinarse con un limitador W

del ángulo de desfase interno de la rueda polar. El arranque y la

desexcitación de los alternadores se efectúan bajo la dependencia del

reglaje automático de la tensión, en caso necesario. El paso del servicio

manual al servicio automático o viceversa es posible en cualquier instante,

y se efectúa sin sacudidas si el ajuste ha sido correcto.

En la citada figura son:

CENTRALES ELÉCTRICAS

252

B1 y B2 Excitatrices rápidas.

N Rectificador de alimentación.

Fig. 8.17 Disposición para la regulación de tensión en los generadores

síncronos por medio de transistores.

C Motor de accionamiento.

K Dispositivo de alimentación.

E Excitatriz Principal.

Q Báscula e inversor.

G Alternador.

Y Amplificador simétrico de transistores.

T Transformador que alimenta la red H1.

P1 Potenciómetro de arranque.

H1 Red auxiliar de la tensión del alternador G

P2 Potenciómetro de ajuste del alternador G.

W Limitador del ángulo de desfase.

H2 Red auxiliar general.

W Limitador del ángulo de desfase interno de la rueda polar.

S - A Comparador de los valores real y prescrito.

UG, IG Tensión y corriente del alternador.

Los reguladores con transistores han demostrado en la práctica su

importancia, no sólo por sus características dinámicas de regulación, sino

por que procuran una gran seguridad en el servicio encomendado y por su

GENERADORES

253

sencillez, cumplen pues, todas las exigencias que se imponen en la

explotación moderna de centrales.

8.10 REGULACIÓN DE TENSIÓN POR TRANSDUCTORES

Por amplificador magnético se designa un piso completo de amplificación

que comprende transductores, los cuales son elementos activos

compuestos de uno o varios circuitos ferromagnéticos, cerrados, provistos

de arrollamientos y de enderezadores. Según su utilización o su estructura,

constituyen reguladores de amplificadores intermedios, o de órganos de

regulación

Debido a que los amplificadores magnéticos pueden construirse para

potencias muy importantes,. el regulador de tensión con transductores se

emplea ventajosamente cuando las excitatrices auxiliares se consideran

inadecuadas y entonces el regulador debe actuar directamente sobre la

excitatriz del alternador. En este caso se utiliza una cascada de

amplificadores que permite, a pesar de la gran potencia de salida, efectuar

la comparación entre el nivel prescrito y el valor real aun bajo nivel de

potencia; asimismo procura un tiempo corto de respuesta. El escalón de

salida puede buscarse en una serie de amplificadores magnéticos de

potencia y ello permite una fácil adaptación a cualquier excitatriz.

La excitación de la excitatriz se realiza por un arrollamiento en serie, pero

lleva además dos arrollamientos separados para la excitación, los cuales

actúan en sentido contrario e intervienen solamente para dar a la tensión el

valor requerido.

El regulador comprende una cascada de tres amplificadores en montaje

simétrico, cuyas salidas van a los dos arrollamientos citados.

En la entrada del primer escalón amplificador se introduce la diferencia de

tensión correspondiente a la separación entre el valor prescrito y el valor

real, y también los efectos de tres retornos diferenciales para la

estabilización del regulador.

CENTRALES ELÉCTRICAS

254

Fig. 8.18 Excitatriz