AQUANIVEL, Sistema de Control por Nivel de Agua Embalsada

Resumen del
trabajo

En el presente trabajo se exponen dos aplicaciones del
"AQUANIVEL[1](sistema de control por
nivel de agua embalsada), implementado en distintos
microaprovechamientos hidroeléctricos, en la provincia de
Misiones, Argentina.

PALABRAS CLAVES

Microturbina. Nivel de agua embalsada.
Microgeneración eléctrica aislada.
Microgeneración eléctrica en paralelo.
Operación de centrales. Automatismo.

Introducción

En los pequeños aprovechamiento
hidroenergéticos, la generación eléctrica se
produce generalmente en forma autónoma, controlando
automáticamente, el caudal, la frecuencia y la
tensión generada.

Otra variable no menos importante, y no siempre atendida
en forma automática, es el nivel de agua
embalsada.

Si el nivel de agua en la presa desciende por debajo de
niveles admisibles, puede ocurrir que el agua turbinada no
alcance a llenar toda la sección de la tubería
forzada, pudiendo producir: corrosión,
sedimentación, obstrucciones e inestabilidad en la
generación.

La variación del nivel de agua en el embalse,
constituye un caso frecuente en Misiones, donde en épocas
de estiaje, el caudal del curso de agua y su cuenca, desciende a
un 10% del caudal nominal, con el agravante de que estas
fluctuaciones no son cíclicas, como es el caso de los
arroyos de montañas, donde se tienen períodos de
hielo-deshielo bien definidos .

Tipos de
generación

La energía hidráulica disponible en forma
mecánica en el eje de la turbina, es posible transformar
en energía eléctrica, por medio de generadores del
tipo: Sincrónicos y
Asincrónicos.

Generación Sincrónica:

La generación sincrónica, ampliamente
estudiada y difundida, requiere de equipamiento especial y
sofisticado para su funcionamiento y control, mas aun, en
centrales que trabajen en paralelo y sin personal permanente,
como es el caso de la microgeneración en la Provincia de
Misiones.

Generación Asincrónica:

Los generadores asincrónicos comúnmente
utilizados en los microaprovechamientos hidroelectricos, son
generalmente motores eléctricos de inducción con
rotor "jaula de ardilla", del tipo comercial
estándar.

La generación se produce accionando "el motor" a
velocidad de hipersincronismo (velocidad superior a la de
sincronismo) y excitando el estator con una determinada
tensión.

Este tipo de generación, presenta algunas
ventajas que su símil sincrónico, cuando opera en
paralelo con una red de gran potencia.

Funcionamiento
aislado o interconectado

Básicamente los sistema de microgeneración
hidráulicas se pueden clasificar en: aislados o
independientes, interconectados o en paralelo, y
mixtos.

Centrales Interconectadas o En Paralelo:

Se denominan centrales interconectadas, a los sistema de
microgeneración que funcionan en paralelo con otro sistema
energético de mayor potencia.

El comportamiento de un motor como generador en estos
casos, es muy bueno, ya que la tensión y la frecuencia son
impuestas por la red, lo que hace innecesario el uso de regulador
de tensión y frecuencia.

Centrales Aisladas o Independientes

Las centrales de funcionamiento aislado, son aquellas
que poseen todos los elementos necesarios para funcional sin
estar conectado a una red de mayor potencia.

Centrales Mixtas

Son aquellas que pueden funcionar, tanto en
paralelo como en forma independiente.

Centrales Autónomas

Se denominan centrales autónomas, las que pueden
generar energía eléctrica en forma
automática, esto es, sin la atención permanente de
un operario. Pueden ser, a su vez: aisladas, interconectadas o
mixtas.

El Aquanivel en
sistemas aislados

En microcentrales de funcionamiento aislado, el
Aquanivel "avisa" a los usuarios, que el nivel de agua
represada se encuentra por debajo de una cota prefijada,
iduciendolos a retirar cargas, con el fin de economizar agua.
Esta primera etapa se denomina estado de
alarma.

Si el nivel de agua, desciende por debajo de un segundo
punto, denominado de cierre, se produce la
interrupción de la generación eléctrica por
una espacio de tiempo regulable, posibilitando almacenar fluido,
para producir electricidad por un período mas.

El sistema Aquanivel, esta
conformado por dos subsistemas: Uno para la situación de
alarma y otro para la de cierre, que se unen en la unidad de
potencia, que comanda el alabe de la turbina, ver fig.
01.

En los diagramas en bloques de las figuras 02 y 04, se
muestran dos formas de implementar el sistema del
Aquanivel para sistemas aislados.

En el croquis de la figura 02, representa una serie de
temporizadores, formados por monoestables en cascada, permitiendo
un ajuste independiente de los tiempos de apertura, espera y
cierre.

El sensor de nivel de agua en el embalse, suministra
información al sistema del nivel de cierre. Una red
diferenciadora provee un pulso que dispara el primer temporizador
(monoestable de cierre), el cual envía al cierre el alabe
regulador de caudal de la turbina, accionado por un servo motor.
Una vez culminado el periodo de temporización del primer
monoestable, por medio otra red diferenciadora, se dispara el
segundo multivibrador, que proporciona el tiempo de espera, una
vez concluido este, es activado el último de los
temporizadores, el de apertura, finalizando el ciclo de
operación, ver diagrama temporal de la figura
03.

Como el periodo de espera es mucho mayor que el de
cierre, es posible disparar el temporizador de espera y cierre,
en el mismo instante, ver figura 04 y 05.

Participación del
"Sensillus"

El "Sensillus[2]es un sistema
muy simple (de ahí su nombre), que evita la acción
de regulador de frecuencia, cuando el Aquanivel, se pone
en acción.

Supóngase, que el Aquanivel
envía la orden de cerrar el alabe regulador de la turbina
(por que el agua en la presa, se encuentra por debajo de los
limites admisibles para la generación) esta acción,
es interpretada por el regulador electrónico de
frecuencia, como una disminución de la frecuencia
generada, por lo que genera la orden de apertura del alabe, para
contrarrestar la disminución de la frecuencia. Esta
acción se opone a la enviada por el Aquanivel,
incurriendo en una incompatibilidad, que es salvada con la
inclusión del mecanismo del Sensillus.

El Aquanivel en
sistemas mixtos

Supóngase un sistema de microgeneración
que pueda alimentar un núcleo de pobladores, que
llamaremos "circuito uno" y que a su vez se encuentre
conectado en paralelo con una línea de distribución
comercial, ver figura 06.

Si se interrumpe el suministro de energía en la
red de gran potencia, la microcentral puede alimentar el consumo
del "circuito uno", mientras dure el corte de energía,
librando el interruptor C1 y efectuando una maniobra de
Puesta en Funcionamiento de generación
independiente, precedida de la maniobra de Cierre
por Falta de Energía Comercial, ver figuras
07.

Cuando retorna la energía en la red principal, se
efectúa la maniobra de Desactivación de la
Generación Independiente, para iniciar la
maniobra de Puesta en Paralelo.

Por otro lado, puede ocurrir que la microcental deba
salir de servicio, por que el caudal tubinado no es suficiente y
el generador se comporta como motor, consumiendo energía
de la red. En este caso, cuando el nivel de agua se encuentre por
debajo de un nivel admisible, el Aquanivel,
efectúa la maniobra de Cierre por Falta de
Agua, y libera el contacto C2, mientras que el "circuito
uno" es alimentado por la red comercial, ver figura
08.

En el diagrama de flujo de la figura 09, se ilustra las
distintas acciones de la generación en un sistema de
generación mixta.

El Aquanivel en Sistemas
Interconectados

En sistemas interconectados, una vez concluida la
operación de puesta en paralelo, el grupo turbo-generador
entrega a la red, una cantidad de energía proporcional al
caudal turbinado.

Ya que el caudal no es constante todo el año, se
tendrá distintos puntos de funcionamiento para distintas
épocas del año.

Como no siempre se posee los suficientes datos de
aforamiento de las cuencas que integran el aprovechamiento, es
menester buscar otro método de ubicación del punto
de trabajo, que aquel que resulta de contrastar planillas de
caudales con épocas del año y determinar el punto
de trabajo.

Un método práctico de operación en
paralelo[3](Kurtz 1997) , es que la máquina
funcione siempre a la potencia nominal, no importando la
época del año.

En época de estiaje la máquina
turbinará el caudal módulo hasta que se agote el
fluido de reserva en el embalse. Con la ayuda de un Aquanivel, es
posible ubicar automáticamente, distintos puntos de
trabajo de la generación en paralelo.

Por otro lado, una vez concluida la reserva de agua, el
Aquanivel produce la salida del generador del paralelo, evitando
que éste funcione como motor consumiendo energía de
la red. Al tiempo que los usuarios pasan a consumir
energía de la red principal, mientras se almacena
más agua en la presa para una nueva
generación.

Corrimiento del Punto
de Trabajo

Según lo expresado anteriormente se
tendría períodos generados y períodos no
generados, estos últimos mayores. Para evitar cortes
frecuentes, es posible correr el punto de trabajo de la
máquina, esto es: suponer un nuevo límite de
corriente generada que puede ser, por ejemplo ¾ de la
corriente nominal, en estas condiciones se podría generar
más tiempo pero menos energía horaria.

Se elige el punto de trabajo (porcentaje de la corriente
nominal), en función de la época del año, y
se hace trabajar la máquina a esa nueva corriente nominal.
Cuando los desacoples sean muy frecuentes se corre el punto de
trabajo más abajo.

Punto de Trabajo

La potencia entregada por el grupo Turbina-Generador se
puede expresar como:

Donde la corriente generada es directamente proporcional
al caudal turbinado.

Representando la función I=f(Q) se
tiene:

Para distintos puntos de trabajo menores que el nominal
se tiene menores caudales que el nominal. El sistema "PARALELEX",
tiende a mantener el punto de trabajo sobre la curva I=f(Q). En
la gráfica se observa otros posibles puntos de trabajo. En
la práctica se elige el punto de trabajo de
generación nominal algo menor que el que se tendría
para la máxima apertura del alabe regulador de la
turbina.

Sensores de
nivel

Como sensores de nivel de agua en el embalse, se
analizaron y utilizaron, varios tipos de sensores, siempre
teniendo en cuenta el factor económico.

Sensor por conducción
eléctrica:

Este tipo de sensor, opera detectando la resistencia que
presenta el agua al paso de la corriente eléctrica. Es tal
vez, uno de métodos de detección mas
económico, pero presenta algunos inconvenientes; uno de
ellos es, que la fluctuación del agua en el entorno del
punto de actuación, produce información inestable
del nivel de agua. Otro inconveniente es que el circuito de
detección se encuentra permanentemente energizado.
Finalmente, como el sistema electrónico de
detección, se encuentra en contacto directo con el espejo
de agua, que presenta una especial atracción a la
descargas atmosféricas, (muy abundante en la provincia de
Misiones), está sujeto a averías frecuente, ver fig
11.

Sensor con Microcontactos
Magnéticos

El sensor con microcontactos magnéticos a
lengüeta (reed-switch), está formado por al
menos dos microcontactos, accionados por el campo
magnético generado desde un imán permanente,
solidario a una boya de flotación, que se desplaza dentro
de un tubo conforme varia el nivel de agua en la presa, ver fig.
12.

Sensor por Flotador

El sensor con flotador, es el que finalmente se
adoptó, funciona con un flotador que desplaza una varilla,
cerrando o abriendo unos contactos eléctricos, ver fig.13.
Este tipo de sensor posee la ventaja de un accionamiento con
histeresis regulable y sin rebotes, además de que solo
alimenta el circuito de control cuando debe entrar en
funcionamiento, permaneciendo desenergizado el resto del
tiempo.

Una ventaja adicional del sistema con flotador, se
encuentra en la línea de comunicación entre la
presa y la casa de maquinas, que solo utiliza dos conductores,
tipo par telefónico.

Conclusión

Algunas de la soluciones propuestas, pueden
parecer anticuadas o muy simples, sin embargo en la
práctica presentaron un desempeño
satisfactorio.

La utilización de sistemas y
circuitos tradicionales, permite el uso de elementos de
fácil adquisición en el mercado local.

En las unidades electrónicas, se ha dado
prioridad, al montaje de tipo modular enchufable. Este tipo de
montaje, permite una rápida reparación por simple
sustitución del modulo defectuoso, inclusive por personal
no especializado.

Los módulos averiados, pueden ser enviados para
su reparación a los grandes centros urbanos, por medio de
transportes colectivos.

Las unidades modulares, permiten mantener un
"stock" de respuesto en el aprovechamiento mismo, con un
costo inferior, al que por ejemplo se tendría, en concepto
de viáticos del personal encargado de las
reparaciones.

• Los mecanismos simples y visibles, brindan confianza
  los encargados locales del mantenimiento. Inclusive estos
  muchas veces no solo reparan por su cuenta, sino que,
  también llegan a optimizan los sistemas.

• Los conceptos presentados para Aquanivel, no solos
  posibilitan la implementación de sistemas con
  componentes discretos sino que proporciona lineamientos
  generales, para la implementación con elementos de
  control mas modernos, como ser: autómatas programables
  (PLC, SLP, etc), computadoras personales, microprocesadores o
  microcontroladores, entre otros.

Bibliografía

• MICROTURBINA EN MISIONES– E. Barney – FIO –
  UNaM.

• GENERACION ASINCRONICA– H. Muñoz – A.
  Gonzalez – FIO – UNaM.

• PAUTAS PARA GENERACION EN PARALELO CON
  GENERADORES ASINCRONICOS – Victor H. Kurtz – FIO –
  UNaM.

• PARALELOS – P. Santander – Victor H. Kurtz –
  FIO – UNaM.

• PARALELO DE GENERADORES ASINCRONICOS – J.
  Bycovich. Rev. Tec. e Industria (Bs. As.).

• REVISTA TECNICA MEGAVATIOS Nº 62 – Bs.
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• INFORME C.E.D.E. 1982.

• MAQUINAS MOTRICES, GENERADORES DE ENERGIA
  ELECTRICA – CEAC.

• ELECTRONICS LOAD CONTROL FOR MICRO HYDROPOWER
  PLANTS – Meir – Detti – SKAT St. Gallen –
  Zwitzerland.

• PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES -SISTEMAS Y
  CIRCUITOS PRACTICOS PROBADOS- VII Encuentro
  Latinoamericano en Pequeños Aprovechamientos
  Hidroenergeticos, Cajamaraca- Perú, Victor H. Kurtz,
  1997.

• PARALELEX, PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES
  HIDROELECTRICAS. Revista Imagen, Facultad de
  Ingeniería. UNaM, N°3 – Año 2 – Junio de
  1997, Victor H. Kurtz.

• PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES
  HIDROELECTRICAS CON GENERADORES ASINCRONICOS. Revista
  Ingeniería Eléctrica, Año 14 – N°146
  – Junio de 2001, Victor H. Kurtz.

Autor:

Ing. Victor Hugo Kurtz

Profesor del Departamento de
Electrónica

Universidad Nacional de Misiones

Facultad. de Ingeniería

Tel. 03755-422160 (Facultad)

Tel. 03755-421878 (Part.)

Trabajo In Extenso IX ELPAH

[1] Nombre genérico dado por el autor
desde 1985, a distintos sistemas de indicación y
detección, del nivel de agua en el embalse.

[2] Sensillus I: Nombre que le dio el autor,
en 1984 a un sistema electrónico de control de
microgeneración.

[3] Método presentado por el autor en
el sistema de puesta en paralelo de generadores
asincrónicos, denominado PARALEX.