Alternadores sincrónicos en pico turbinas

Resumen

El presente trabajo quiere mostrar la utilización
de alternadores sincrónicos en una Pico Turbina de 3 kW,
dado que la misma constituye una excelente solución para
Pequeñas Centrales hidráulicas (PCH). Sin embargo
no todos los generadores sincrónicos disponibles hoy en
día en el mercado Argentino, particularmente para
potencias menores a 8kW, son los más aptos para la
utilización en PCH.

En este trabajo, se presenta la configuración
utilizada para la implementación de un regulador
automático de tensión y frecuencia de tipo
electrónico, en una PCH, que utiliza un alternador
sincrónico sin escobillas, del tipo empleado en grupos
electrógenos compactos, impulsados por motores de
combustión interna.

Este equipamiento ha sido puesto en marcha en el Refugio
de Montana "Neumeyer" de la Ciudad de San Carlos de Bariloche
(Argentina) lo que ha permitido obtener información de una
instalación con estas características y que se
expone en el presente trabajos.

Palabras Claves (Key Word): microturbinas
hidroeléctricas, picoturbinas hidroeléctricas,
control de tensión y frecuencia, control de la
generación, carga balasto, generadores sincrónicos,
AVR.

Introducción

El presente proyecto de energización del Refugio
de Montaña "Neumeyer", trata de un emprendimiento de
energía no convencional y de bajo impacto sobre el medio
natural. Para su concepción se ha tenido en cuenta las
pautas que oportunamente la Intendencia de Parque Nacional LANIN
diera en el año 1993, respecto a la obra que se
desarrollaría sobre el arroyo "La Horqueta" (Afluente del
Lago Filo Hua Hun-S.M. del los Andes). Además, para el
desarrollo del Proyecto Ejecutivo se han adoptado todos los
recaudos necesarios para minimizar los impactos consecuentes de
la implementación de este emprendimiento y en ello hemos
tomado como parámetros de referencias los prescriptos en
Directorate General for Energy – DGXVII . The Renewable
Energy Study . Annex 1 – 1994(I). A ello debemos decir
que gran parte del desarrollo de los distintos componentes que
conforma esta Micro Central Hidroeléctrica se ha
consultado y seguido a Small Hydroelectric Plants – Guide
to the Environmental Approach Assessment (European
Comisión DGTREN Año 2000)(II).

El principal requerimiento que presentaba el Refugio
Neumeyer era el abastecimiento de energía
eléctrica, para iluminación y eventualmente para
algún electrodoméstico. Hasta el presente
existía provisión de energía
eléctrica, mediante un pequeño sistema
hidroeléctrico compuesto por una Pico Turbina tipo Pelton;
la energía que esta turbina generaba era utilizada
fundamentalmente, para la carga de baterías que alimenta
el sistema de radiocomunicación e iluminación de
dos artefactos de 24 voltios cada uno.

El proyecto en si, consiste en el emplazamiento de una
PCH y que operará en forma aislada. En centrales que
funcionan aisladamente, el control de la frecuencia de la
tensión generada, se efectúa controlando la
velocidad de rotación de la maquina
hidráulica.

La velocidad de giro es posibles controlar
automáticamente, actuando sobre el caudal turbinado (IV) o
por derivación de carga eléctrica(III). En este
caso se ha optado por una regulación por derivación
de carga.

Ubicación
geográfica

La zona en cuestión está ubicada a 18 km
desde la ciudad de San Carlos de Bariloche que es la ciudad
más próxima al lugar. Se accede al refugio por
medio de la ruta 258 con su comienzo en las calles Onelli y
Moreno. Se sigue por la calle Onelli hasta salir de la ciudad con
rumbo hacia el Bolsón en un trayecto de 2,7 km hasta el
desvío a la derecha hacia el Valle del Challhuaco. Desde
aquí sigue el camino de ripio por 14 km pasando por 6
puentes que cruzan diferentes arroyos. Los medios de llegar al
lugar son a través de vehículo automotor (Ver Mapa
Nº1).

El Refugio Neumeyer está ubicado en medio de
bosque nativo donde escurren algunos cursos de agua, objetos del
presente estudio, en plena Reserva Nacional del Nahuel
Huapi.

Regulación
de la generación

En el caso de Alternadores Sincrónicos, la
tensión generada, es controlada automáticamente por
sistemas denominados AVR (Automatic Voltage Regulador –
Regulador Automático de Tensión), que
actúan sobre el campo de excitación del generador y
generalmente vienen provistos con la máquina.

En sistemas equipados con generadores sincrónicos
que tiene incorporados un AVR, se limita a la utilización
de un regulador de frecuencia AFR (Automatic Frequency
Regulador – Regulador Automático de
Frecuencia), que es propio de las PCH.

Los AFR, son construidos ad-hoc para pico y
micro-céntrales hidroeléctricas, mientras que los
AVR, son de configuración estándar para los
alternadores sincrónicos y el principio de funcionamiento
es independiente la maquina primaria.

La construcción de un AFR, no presenta grandes
inconvenientes, cuando es utilizado para controlar generadores
sincrónicos equipados con AVR. Pero no todos los
alternadores sincrónicos de baja potencia disponibles,
vienen equipados con AVR, como es el de este caso, donde se
usó un generador del tipo que se proveen para grupos
electrógenos impulsador por motores térmicos, tipo
"Honda" que por las características de funcionamiento
presentan un punto de funcionamiento estable en velocidad y alta
respuesta ante las variaciones de carga, que hace innecesario el
uso de un AVR, especial. Dicho de otra manera, se disponía
de un generador sin AVR y sin posibilidad de implementar un
circuito AVR externo, ya que estas maquinas funcionan sin
escobilla y por lo tanto sin acceso al bobinado de
campo.

El
problema

El generador utilizado incorporaba un sistema especial
para el control de la tensión generada, que presentaba una
respuesta deficiente del control de la tensión (Fig. 5).
La pobre regulación de la tensión de salida
provocaba que el regulador de frecuencia AFR, funcionara
también en forma deficiente. (Fig. 1, 2, 3 y 4)

La
solución

Para solucionar este inconveniente se optó por
anexar al AFR por derivación de carga, proyectado para
este aprovechamiento en particular, un regulador de
tensión también por derivación de carga, con
el fin de mantener la tensión estable ante la
variación del consumo, sin utilizar un AVR, propiamente
dicho e incorporado al sistema de generación en
si.

Por otra parte se incorporó al sistema; un
detector de tensión generada, de manera que el regulador
comenzara actuar solo cuando la tensión generada fuera
próxima a la nominal. Esto fue necesario, ya que los
inconvenientes de inestabilidad en la generación indicados
anteriormente se agudizaban más aun, durante la maniobra
de inicio de la generación.

Conclusiones

El sistema presentado se encuentra actualmente de
funcionamiento, sin mayores inconvenientes. Los datos obtenidos
de la implementación del sistemas han permitido determinar
que; si bien la utilización de alternadores del tipo
sincrónico, resulta la mejor solución para la
generación hidroeléctricas, la selección del
generador para pequeñas o muy pequeñas centrales se
debe realizar con cierto cuidado.

En la selección del tipo de alternador se debe
tener en cuenta la forma que controla la tensión generada,
ya que los generadores autoexitados no siempre son adecuados para
su implementación en PCH.

Que el generador seleccionado posea AVR, con acceso
externo, no incorporado al bobinado de la máquina. O que
por lo menos tenga acceso al bobinado de campo de
excitación. El acceso externo permite, la
instalación un AVR construido para el efecto, en caso que
el regulador provisto con el alternador, presente un pobre
desempeño para la hidrogeneración.

Que el AVR, permita el ajuste de la tensión de
funcionamiento (selección del valor consigna "set-point")
y de la ley de control. La ley de control implementada para un
sistema generador, impulsado por motor de ciclo Otto, puede
presentar inestabilidad en microgeneración
hidráulica.

Que a pesar del bajo costo, los generadores impulsados
por motores de combustión interna, del tipo compacto, no
constituyen la mejor solución para PCH.

Resulta conveniente antes de la adquisición del
generador, disponer de las curvas características del
mismo.

Que si bien, la compensación de la tensión
generada por derivación de carga, resulta un
solución aceptable, presenta menor rendimiento que el
control por excitación de campo. Esto lleva a que la
potencia disponible del aprovechamiento sea menor a la
calculada.

Referencias

• I) Directorate General for Energy – DGXVII .
  The Renewable Energy Study . Annex 1 – 1994 –
  http://www.icit.hw.ac.uk/icit_pubs.htm

• II)  Guide on environmental approach to Small
  Hydro Plants
  http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/doc/small_hydro/guide_to_env_approach_to_shps.p.pdf

• III) Victor H. Kurtz y Fernando
  Botterón, "Alternativa para el Control de Cargas
  Balasto", Anales del XI encuentro latinoamericano en
  pequeños aprovechamientos hidroenergéticos, XI
  ELPAH, noviembre 2005,
  http://www.mec.utfsm.cl/elpahchile/es/index.php.

• IV) Víctor H. Kurtz y Héctor R.
  Anocibar, "Sistema mixto para el control de la
  generación en micro centrales hidroeléctricas",
  Anales del XI encuentro latinoamericano en pequeños
  aprovechamientos hidroenergéticos, XI ELPAH, noviembre
  2005,
  http://www.mec.utfsm.cl/elpahchile/es/index.php.

Autor:

Ing. Victor Hugo KURTZ(*)

Ing. Orlando Aníbal
AUDISIO(**)