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“UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS” FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y ELÉCTRICA

ALUMNO :

Roque Pelaez Kevin Antonio

CODIGO

12190168

:

CURSO

:

MAQUINAS ELECTRICAS

PROFESOR

:

ING. MILLA

TEMA

:

CENTRALES HIDROELECTRICAS

LABORATORIO :

N° 4

CENTRALES HIDROELECTRICAS 1. CONCEPTOS BASICOS 1.1 Introducción El aprovechamiento de las fuerzas naturales fue constante preocupación de la humanidad que vio en ellas un medio de aliviar el trabajo muscular con el ahorro consiguiente de las energías del hombre, quien de este modo podría realizar cantidades de trabajos importantes que hubieran precisado abundante mano de obra. Refiriéndonos a las caídas de las masas de agua, producidas por los desniveles existentes en los cauces por los que aquellas discurren, fueron de antiguo utilizadas para producir energía mecánica por medio de ruedas de paletas y de cajones que, aunque eran artefactos rudimentarios, tenían adecuadas aplicaciones, entre otras, para elevar agua en los riegos, para mover molinos harineros, también movidos por rodeznos, para el trabajo de batanes, etc. Una masa de agua de peso P(kg) al caer desde una altura de H metros, produce un trabajo P x H (kgm), que, estimado en caballo de vapor (CV) vale: . Desde luego esta energía no es toda útil porque existen pérdidas en la misma con el funcionamiento del receptor y por ello, los antiguos artefactos solamente aprovechaban una reducida fracción de la producida por la caída del agua. A medida que la técnica fue progresando, se perfeccionaron los aparatos para aprovechar el salto de agua en su producción de energía y con ellos se logró que se perdiese de esta la menor cantidad posible. Anteriormente y con artefactos primitivos se llegaba a perder hasta 70% de la energía potencial, mientras que en la actualidad las turbinas modernas permiten rendimiento del 85 al 91%. Resulta pues, que la potencia realmente útil se obtendrá multiplicando la potencia teórica por un coeficiente , menor que la unidad, al cual se le denomina rendimiento. La potencia útil será pues La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica.

1.2 Fuentes principales de energía:

Trabajo humano Es toda actividad física o mental penosa, susceptible de producir un cambio en un objeto ajeno. Para que constituya trabajo, la tarea debe ser un esfuerzo penoso, y esta cualidad la diferencia de cualquier otra actividad placentera o deportiva o en favor de la misma persona que lo realiza. Es casi siempre remunerada por cuanto aporta un servicio en favor de un tercero y produce un beneficio económico a favor del tercero.

Trabajo animal Tecnología sustentable, cuyo origen data de hace milenios. Constituye una alternativa eficaz para la preparación de tierras, el transporte y otras labores agrícolas y sociales. Comprende no solo el uso de animales de tiro, sino también de los animales de carga y de monta.

Energía del carbono Se llama carbón a las rocas sedimentarias de origen orgánico que contienen, al menos, el 50% de carbono. La energía de carbón pertenece al grupo de las energías fósiles y contaminantes.

Los orígenes de carbón se remontan a 250 a 300 millones de años, cuando el bosque herciniano engendró una concentración de depósitos considerados como restos vegetales que han sido recubiertos de tierra y de aluviones, como resultado del hundimiento del suelo o de un crecimiento en el nivel del mar. Este ciclo se perpetúa durante millones de años, alternando así capas de materia orgánica y capas de rocas. A medida que han ido creciendo y madurando, estas capas de materia orgánica han pasado, en el transcurso de la era geológica, por estados sucesivos: turba, lignito, hulla y antracita. Esta evolución corresponde a un agotamiento de los compuestos orgánicos volátiles y a una concentración de carbono. En términos generales a nivel internacional, se distinguen dos categorías principales de carbón: 

Hullas y antracitas: son productos con una potencia calorífica de 23,9 GJ/t. Estos son los únicos susceptibles de ser transportados en cantidades significativas lejos de su lugar de producción. Se distingue el carbón de coque, llamado carbón metalúrgico, destinado a la industria siderúrgica del carbón para vapor, destinado a ser quemado en calderas para producir vapor y electricidad.



Lignito: no produce coque y posee un poder calorífico inferior a 23,9 GJ/t. Se incluyen los lignitos, cuyo poder calorífico es inferior a 17,4 GJ/t. Son más del 90% de los transformados en electricidad.

La química del carbono, es decir, todos los productos químicos fabricados que se basan en la transformación química del carbón, tienen un futuro muy limitado a corto y mediano plazo, debido a los costes de producción que son demasiado elevados en relación con los de las petroquímicas. Pero, además, el impacto que provoca el carbón en el medio ambiente es ampliamente criticado. Se han realizado muchos avances tecnológicos para reducir las emisiones a la atmósfera causadas por la combustión del carbón. Así es que se puede hablar de “combustión limpia” del carbón, ya que sus emisiones de óxidos de azufre y de óxidos de nitrógeno se han reducido drásticamente y no exceden al resto de las emisiones de los combustibles fósiles. Sin embargo, como el petróleo y el gas por ejemplo, el carbón es un combustible fósil que emite dióxido de carbono en su combustión. Todavía no existe una solución técnica para retener el dióxido de carbono producido por su combustión. En la actualidad, sólo es posible reducir estas emisiones para tratar de mejorar el rendimiento de la combustión.

Derivados del petróleo Un derivado del petróleo es un producto procesado en una refinería, usando como materia prima el petróleo. Según la composición del crudo y la demanda, las refinerías pueden producir distintos productos derivados del petróleo. La mayor parte del crudo es usado como materia prima para obtener energía, por ejemplo la gasolina. También producen sustancias

químicas, que se puede utilizar en procesos químicos para producir plástico y/o otros materiales útiles. Debido a que el petróleo contiene un 2 % de azufre, también se obtiene grandes cantidades de éste. Hidrógeno y carbón en forma de coque de petróleo pueden ser producidos también como derivados del petróleo. El hidrógeno producido es normalmente usado como producto intermedio para otros procesos como el hidrocracking o la hidrodesulfuración. Productos generados a partir del petróleo[editar] Dentro de los productos que se generan a partir del petróleo tenemos a los siguientes: 

Diésel



Gasolinas líquidas (fabricadas para automóviles y aviación, en sus diferentes grados; queroseno, diversos combustibles de turbinas de avión, y el gasóleo, detergentes, entre otros). Se transporta por barcazas, ferrocarril, y en buques cisterna. Pueden ser enviadas en forma local por medio de oleoductos a ciertos consumidores específicos como aeropuertos y bases aéreas como también a los distribuidores.



Lubricantes (aceites para maquinarias, aceites de motor, y grasas. Estos compuestos llevan ciertos aditivos para cambiar su viscosidad y punto de ignición), los cuales, por lo general son enviados a granel a una planta envasadora.



Ceras (parafinas), utilizadas en el envase de alimentos congelados, entre otros. Pueden ser enviados de forma masiva a sitios acondicionados en paquetes o lotes.



Parafinas: Es la materia prima para la elaboración de velas y similares, ceras para pisos, fósforos, papel parafinado, vaselinas, fármacos, etc.



Cloruro de polivinilo (PVC): Existen dos tipos de cloruro de polivinilo, tienen alta resistencia a la abrasión y a los productos químicos. Se utiliza para hacer manteles, cortinas para baño, muebles, alambres y cables eléctricos. También se utiliza para la fabricación de riego, juntas, techado y botellas.



Plásticos, pinturas, barnices, disolventes, fertilizantes e insecticidas, detergentes, cauchos artificiales, negro de humo, poliéster, sintéticos y muchos más.



Polietileno: materia prima para la fabricación de plásticos.



Negro de humo: fabricación de neumáticos.



Detergentes: para lavar.



Producción de Thinner (adelgazador o rebajador de pinturas).



Azufre: subproductos de la eliminación del azufre del petróleo que pueden tener hasta un dos por ciento de azufre como compuestos de azufre. El azufre y ácido sulfúrico son materiales importantes para la industria. El ácido sulfúrico es usualmente preparado y transportado como precursor del oleum o ácido sulfúrico fumante.



Brea se usa en alquitrán y grava para techos o usos similares.



Asfalto - se utiliza como aglutinante para la grava que forma de asfalto concreto, que se utiliza para la pavimentación de carreteras, etc. Una unidad de asfalto se prepara como brea a granel para su transporte.



Coque de petróleo, que se utiliza especialmente en productos de carbono como algunos tipos de electrodo, o como combustible sólido.



Petroquímicos de las materias primas petroquímicas, que a menudo son enviadas a plantas petroquímicas para su transformación en una variedad de formas. Los petroquímicos pueden ser hidrocarburos olefinas o sus precursores, o diversos tipos de químicos como aromáticos.

Los Petroquímicos tienen una gran variedad de usos. Por lo general, son utilizados como monómero o las materias primas para la producción de monómero. Olefinas como alfa-olefina y dienos se utilizan con frecuencia como monómeros, aunque también pueden ser utilizados como precursores para la síntesis de los monómeros. Los monómeros son entonces polimerizados de diversas maneras para formar polímero. Materiales de polímero puede utilizarse como plástico, elastómero, o fibra sintética, o bien algún tipo de estos tipos de materiales intermedios. Algunos polímeros son también utilizados como geles o lubricantes. Los petroquímicos se puede utilizar también como disolventes, o como materia prima para la producción de disolventes, también se pueden utilizar como precursores de una gran variedad de sustancias químicas y productos químicos tales como los líquidos limpiadores de los vehículos, surfactante de la limpieza, etc.

Energía Nuclear 

Energía nuclear: Proporcionada por el uranio como su combustible principal. La energía nuclear suma defensores y detractores a partes iguales. Por un lado, es una energía que emite menos sustancias contaminantes a la atmósfera que la producida por los recursos fósiles. Además, es capaz de producir gran cantidad de energía. En el lado opuesto de la balanza, está su gran inestabilidad, la peligrosidad de los residuos o las catastróficas consecuencias que podría tener cualquier fallo en una central nuclear. La energía nuclear desprende radiación, la muerte lenta.

Energía mareomotriz La energía mareomotriz es la que se obtiene aprovechando las mareas: mediante su empalme a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando

así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más segura y aprovechable. Es un tipo de energía renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una penetración notable de este tipo de energía.

Otras formas de extraer energía del mar son: las olas (energía undimotriz), de la diferencia de temperatura entre la superficie y las aguas profundas del océano, el gradiente térmico oceánico; de la salinidad, de las corrientes marinas o la energía eólica marina. Métodos de generación Los métodos de generación mediante energía de marea pueden clasificarse en tres distintas formas: Generador de la corriente de marea Los generadores de corriente de marea tidal stream generators (o TSG por sus iniciales inglés) hacen uso de la energía cinética del agua en movimiento a las turbinas de la energía, de manera similar al viento (aire en movimiento) que utilizan las turbinas eólicas. Este método está ganando popularidad debido a costos más bajos y a un menor impacto ecológico en comparación con las presas de marea, ya que esto ocasiona que el agua suba 10 metros a nivel del mar sobre lo normal.

Presa de marea Las presas de marea hacen uso de la energía potencial que existe en la diferencia de altura (o pérdida de carga) entre las mareas altas y bajas. Las presas son esencialmente los diques en todo el ancho de un estuario, y sufren los altos costes de la infraestructura civil, la escasez mundial de sitios viables y las cuestiones ambientales.

Energía mareomotriz dinámica La energía mareomotriz dinámica (Dynamic tidal power o DTP) es una tecnología de generación teórica que explota la interacción entre las energías cinética y potencial en las corrientes de marea. Se propone que las presas muy largas (por ejemplo: 30 a 50 km de longitud) se construyan desde las costas hacia afuera en el mar o el océano, sin encerrar un área. Se introducen por la presa diferencias de fase de mareas, lo que lleva a un diferencial de nivel de agua importante (por lo menos 2.3 metros) en aguas marinas ribereñas poco

profundas con corrientes de mareas que oscilan paralelas a la costa, como las que encontramos en el Reino Unido, China y Corea Del Sur. Cada represa genera energía en una escala de 6 a 17 GW. Funcionamiento El funcionamiento de una planta mareomotriz, es sencillo, cuando se eleva la marea se abren las compuertas del dique la cual ingresa en el embalse. Después cuando llega a su nivel máximo el embalse, se cierran las compuertas. Luego, cuando la marea desciende por debajo del nivel del embalse alcanzando su amplitud máxima entre este y el mar se abren las compuertas dejando pasar el agua por las turbinas a través de los estrechos conductos.

Energia Geotermica 

Energía Geotérmica: La energía geotérmica es una fuente de energía que se utiliza desde hace relativamente poco tiempo. Tan solo países como Islandia tienen este tipo de energía como uno de sus principales métodos de abastecimiento energético. Consiste en la extracción de calor del interior de la Tierra. Cuanto más adentro de la corteza terrestre se realiza la extracción, más calor se logra extraer del interior de la tierra. Entre las principales desventajas de este tipo de energía es que las infraestructuras son costosas, ya que hay que tener las herramientas para perforar a grandes superficies. Además. es un tipo de energía que no se puede transportar y por tanto está pensada para ser consumida en zonas cercanas a su extracción.



Energía Biomasa: La biomasa son todos aquellos restos orgánicos que pueden ser utilizados también para producir energía útil. La utilización de este tipo de recursos para producir energía es cada vez más común, e incluso ya existen generadores portátiles a partir de biomasa. Generar biomasa es muy sencillo y se puede hacer perfectamente de forma casera. Se pueden utilizar para ello cualquier tipo de residuos orgánicos, deposiciones, larvas a insectos, restos de ramas y hojas, etc.



Energía eólica marina: Ya hemos hablado de la energía eólica, pero también lo vamos a hacer de la energía eólica marina, que es una variante de ésta. La diferencia radica en que los aerogeneradores son colocados en el mar u océano en lugar de en Tierra firme. De esta manera se aprovechan mejor las corrientes de aire, se evitan los accidentes geográficos y reduce el impacto medioambiental provocado por los aerogeneradores. Entre sus inconvenientes está el alto coste de transporte de esta energía, ya que se han de construir cableados bajo la corteza marina. lo que obliga a disponer de importantes infraestructuras.

Definicion de central hidroeléctrica En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para mover una rueda.

En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como «salto geodésico». En su caída entre dos niveles del cauce, se hace pasar el agua por una turbina hidráulica que transmite energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.

1.3 Elementos de una instalación hidráulica Tomas de agua Conectan los aparatos con la instalación de fontanería; llevan siempre una llave de paso. Pueden tener grifo o no.

Canal de derivacion El canal de derivación forma parte de una central hidroeléctrica y se utiliza para llevar el agua desde la presa hasta las turbinas de la central. Por lo general se necesita realizar la entrada a las turbinas mediante turbinas forzadas, siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería. En muchos casos se evita el canal y se aplica directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua.

Camara de carga La cámara de carga es un depósito situado al final del canal, justo antes de la entrada de la tubería de fuerza. Está diseñada para actuar como una reserva de agua para mantener la presión de caída en la tubería forzada y requiere una entrada continua de agua del canal para mantener su nivel máximo. Normalmente, se instala una gran rejilla coladera que cubre la zona de entrada de agua a la tubería forzada para impedir la entrada de detritus en la misma. Es esencial una limpieza frecuente de la rejilla coladera de la cámara de carga, ya que un caudal reducido de agua debido a una rejilla obstruida puede conducir a presiones reducidas en la tubería de presión. La cámara de carga actúa como un último desarenador y su diseño debe contar con una válvula de purga en la compuerta de salida, para poder sacar y eliminar todos los sedimentos de la base de la misma. La mayoría de ellas cuenta también con un vertedero para desviar el exceso de agua.

Tuberia forzada Una tubería forzada es la tubería que lleva el agua a presión desde el canal o el embalse hasta la entrada de la turbina.

Turbina hidráulica Una Turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Generador eléctrico Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.

2. OBRAS CIVILES DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS 2.1 Las presas. Clasificacion En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada de piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para elevar su nivel con el objetivo de derivarla, mediante canalizaciones de riego, para su aprovechamiento en abastecimiento o regadío, laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y esta nuevamente en mecánica y que así se accione un elemento móvil con la fuerza del agua. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas.

CLASIFICACION: Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado. Existen numerosas clasificaciones, dependiendo de: 

si son fijas o móviles (hinchables, por ejemplo)



su forma o manera de transmitir las cargas a las que se ve sometida



los materiales empleados en la construcción

Dependiendo de su forma pueden ser: 

de gravedad



de contrafuertes



de arco simple



bóvedas o arcos de doble curvatura



mixta, si está compuesta por partes de diferente tipología

Dependiendo del material se pueden clasificar en: 

de hormigón (masivo convencional o compactado con rodillo)



de mampostería



de materiales sueltos (de escollera, de núcleo de arcilla, con pantalla asfáltica, con pantalla de hormigón, homogénea)

Las presas hinchables, basculantes y pivotantes suelen ser de mucha menor entidad.

Según su estructura

Sección esquemática de una presa de tipo gravedad. 

Presa de gravedad: es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.

Dentro de las presas de gravedad se puede tener: 

Escollera o materiales sueltos: de tierra o suelo homogéneo, tierra zonificada, CFRD (enrocado con losa de hormigón) y otros.



De hormigón: tipo HCR (hormigón compactado con rodillos) y hormigón convencional.

Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie. De esta forma, el muro tendrá que soportar más presión en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad. 

Presa de arco simple: es aquella en la que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente.

Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. La primera presa de arco de la que se tiene noticia es la presa de Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum (Francia).

Sección esquemática de una presa bóveda. 

Presa de bóveda, doble arco, o arco de doble curvatura: cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores, que deben recurrir a sistemas constructivos poco comunes.

Presa Hoover, una presa de tipo arco-gravedad. 

Presa de arco-gravedad: combina características de las presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad.



Presa-Puente: combina dos características, por un lado está la presa y sobre ésta un puente elevado. Este tipo de Presa-Puente está prevista en el Maxi Mega Proyecto de unión de Europa-Africa.3



Presa de contrafuertes o aligerada.



Presa de bóveda múltiple.

Según sus materiales 

Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente,

todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67 % de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero.

Presa de gravedad del embalse de Gabriel y Galán, en Extremadura (España). La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos fueron engullidos por las aguas, obligando a desplazarse a más de un millón y medio de personas. 

Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77 % de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. En España sólo suponen el 13 % del total.

Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En España es bien recordado el accidente de la presa de Tous conocido popularmente como la "Pantanada de Tous". 

Presas de enrocamiento con cara de hormigón: este tipo de presas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; pero su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizado entre 1940 y 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX,

cuando fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción más eficientes.

Según su aplicación

Presa de derivación en el río Mosa. La bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la bocatoma. 

Presas filtrantes o diques de retención: Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.



Presas de control de avenidas: Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.



Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.



Presas de almacenamiento: El objetivo principal de éstas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.



Presas de relaves o jales (México): Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.

2.2 Obras de toma y captación OBRAS DE CAPTACIÓN Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig 2.1 . El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.

Fig. 2.1 Obra de Captación

Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico. OBRAS DE CAPTACIÓN METEÓRICAS CAPTACIÓN DE AGUAS PLUVIALES La captación de estas puede hacerse en los tejados o áreas especiales debidamente dispuestas. En estas condiciones el agua arrastra las impurezas de dichas superficies, por lo que para hacerla potable es preciso filtrarla. La filtración se consigue mediante la instalación de un filtro en la misma cisterna. Un dispositivo de este tipo se ilustra en la figura 2.2

Fig. 2.2 Captación de Agua Pluvial La recolección de agua de lluvia como única fuente de agua, sólo es conveniente en regiones con lluvia confiable a lo largo del año (o donde no están disponibles otras fuentes de agua), debido a que las obras individuales de almacenamiento para todas las casas de una comunidad rural pueden ser costosas. La cantidad de agua de lluvia que puede recolectarse depende del área de captación y de la precipitación promedio anual. Un milímetro de lluvia en un metro cuadrado produce alrededor de 0.8 litros de agua, considerando la evaporación y otras pérdidas. Cuando se diseña un sistema de captación de aguas pluviales es necesario determinar el área de captación y el volumen de almacenamiento

2.3 Galeria de presión Las galerías de presión están directamente excavadas en la roca utilizan para unir el embalse con la chimenea de equilibrio, tal y como he explicado en un párrafo anterior. Se construyen con escasa pendiente de ( 1 a 1000 ) y, como la chimenea de equilibrio absorbe totalmente los golpes de ariete, la galería de presión solamente esta sometida a algo más de la presión debida a la altura del nivel del embalse.

2.4 Chimenea de equilibrio} Estos dispositivos también se conocen como cámaras de presión, tanques de equilibrio o depósitos de compensación. Su función primordial es menguar, al máximo, las consecuencias perjudiciales que originan los golpes de ariete. Se trata de pozos piezométricos, ubicados sobre los conductos, estando unidos a éstos por su parte inferior. En estos pozos, el nivel del agua oscila, según los valores de presión que existen en dichas conducciones. La instalación de las chimeneas de equilibrio suele darse en el área de unión de las galerías con las tuberías forzadas o en cercanías de la unión de los tubos de aspiración con las galerías o túneles de desagüe de máquinas.

Las chimeneas de equilibrio cuentan con cámaras de expansión, que se encargan de absorber las sobrepresiones que se producen en las columnas de agua que llenan los conductos. Las cámaras de expansión superiores se caracterizan por ser grandes depósitos o galerías, mientras que las inferiores, constituida por galerías, se cierran a diferente altura sobre el pozo correspondiente. Estas chimeneas posibilitan la transformación de la energía cinética del agua en energía potencial.

2.5 Desarenador Desarenador es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen, al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas. Existen varios tipos de desarenadores, los principales son:  

Desarenador Longitudinal; Desarenador de vórtice.

La velocidad buscada del agua es de 0,3 m/s.

Desarenador longitudinal

Ejemplo de desarenador longitudinal (entrada del agua). Su funcionamiento se basa en la reducción de la velocidad del agua y de las turbulencias, permitiendo así que el material sólido transportado en suspensión se deposite en el fondo, de donde es retirado periódicamente. Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la limpieza de una de las estructuras mientras la otra está operando.

Desarenador de vórtice

Ejemplo de desarenador Tipo Vórtice - Corte longitudinal.

Ejemplo de desarenador Tipo Vórtice - Planta.

Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen dos diseños básicos: cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena y cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena

2.6 Camara de carga Depósito que alimenta con agua a la Tubería de Presión, evita el ingreso de materiales extraños que puedan perturbar el funcionamiento de la turbina. Se equipa con: compuertas de derivación y limpia, rejillas, rebose y canal lateral para conectar al Canal de Demasías

2.7 Reservorios de regulación y acumulacion Se denomina reservorio o embalse a la acumulación de agua producida por una obstrucción en el lecho de un río o arroyo que cierra parcial o totalmente su cauce. La obstrucción del cauce puede ocurrir por causas naturales como, por ejemplo, el derrumbe de una ladera en un tramo estrecho del río o arroyo, la acumulación de placas de hielo o las construcciones hechas por los castores, y por obras construidas por el hombre para tal fin, como son las presas.

3. INSTALACIONES ELECTROMECANICAS 3.1 Regulador síncrono El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la excitación de flujo en el rotor. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos.

Rotor También conocido como inductor, pues es la parte que induce la tensión en el estator. El núcleo del rotor es construido de lámina troquelada de acero al silicio, material de excelentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (de Foucault). El rotor gira concéntricamente en el eje del generador a una velocidad sincrónica de 1500 revoluciones por minuto (RPM) para 50 Hz (1800 RPM para 60 Hz).

3.2 Paso de los alternadores Cuando el alternador gira a bajas revoluciones o la tensión en bornes que genera no llega a la máxima establecida, la corriente que circula por la bobina del relé no es capaz de excitar el núcleo, permaneciendo cerrados sus contactos. En estas condiciones, se establece una corriente de paso a través del transistor, determinada por la resistencia intercalada en serie con el circuito de base del mismo que se cierra a masa a través de los contactos del relé. Esta corriente de base en el transistor establece la corriente de excitación entre emisor-colector pasando a través de la bobina del relé, para alimentar el devanado inductor del rotor del alternador. Cuando la tensión en bornes del alternador alcanza la tensión máxima de regulación, la corriente que pasa por la bobina del relé es suficiente para excitar su núcleo y abrir los contactos, con lo cual, al interrumpirse el circuito de base en el transistor, anula la corriente de excitación en el rotor y por lo tanto disminuye la tensión en bornes del alternador. Al disminuir la tensión en bornes del alternador se vuelven a cerrar los contactos del relé por lo que se establece otra vez la corriente de excitación y se repite el ciclo de regulación.

3.3 Velocidad del generador Un generador eléctrico puede girar a varias revoluciones por unidad de tiempo. Para corriente continua la velocidad puede ser variable, pero en corriente alterna es imprescindible controlar la velocidad para mantener la frecuencia en 50 Hz ( red europea, 60 Hz red americana). Esto se consigue con generadores de 2 pares de polos girando a 1500 r.p.m., o un par de polos girando a 3000 r.p.m.. Un generador lento girando a 600 r.p.m necesitaría 6 pares de polos. Esto encarece la máquina, por lo tanto siempre se tiende a construir generadores de alta velocidad. Las leyes físicas exigen doblar el tamaño del generador para obtener la misma potencia con la mitad de velocidad. Una turbina de gas girando a 6000 r.p.m. debe llevar acoplado un reductor de velocidad, para bajar esta a 3000 r.p.m. en un generador de 1 par de polos. Para modificar la velocidad depende del tipo de máquina motriz. En una turbina hidráulica tipo Pelton se actúa sobre válvulas de aguja o inyectores que hacen variar la cantidad de flujo que incide sobre el rodete de la turbina.

3.4 Momento de inercia El momento de inercia se obtiene: 𝐽 = 𝑀𝑅 2 =

𝐺𝐷 2 4𝑔

Si tenemos máquinas motrices del mismo tipo, los momentos necesarios para la regulación vienen dados por la siguiente fórmula: 𝑗1 𝑛22 = 𝑗2 𝑛12 Vemos que dichos momentos son inversamente proporcionales al cuadrado de la velocidad. - El peso de un generador viene dado por la fórmula: 1

1

𝐺 = 𝐶. 𝑃2 . 𝑗 4 Si conectamos un generador a dos máquinas matrices (turbinas) tendremos que para una misma potencia: 1

𝐺1 𝐽14 = 1 𝐺2 𝑗24

Relacionando las ecuaciones: 𝐺1 𝑛2 =√ 𝐺2 𝑛1 De esta última fórmula deducimos que el peso de un generador es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su velocidad. Cuanto mayor sea la velocidad menor será el peso del generador a igualdad de potencias. Como el precio de un generador es directamente proporcional al peso, un generador es tanto más económico cuanta mayor sea su velocidad.

3.5 Reactancia síncrona Definir la reactancia sincrónica como relación entre dos valores correspondientes a dos funcionamiento tan distintos, se podría decir casi opuestos, como son los de vacío y de cortocircuito, muestran esta reactancia como algo híbrido (es una especie de reactancia de Thevenin) y conducen a que muchos se pregunten para que sirve y cual es el significado de una reactancia definida de un modo así artificial. La definición antes dada, como relación entre los dos valores contemporáneos de la tensión aplicada y de la corriente absorbida, cuando la excitación y la carga son nulas, es decir la perfecta correspondencia a la reactancia de vacío de los motores asincrónicos, la hace indudablemente más persuasiva y más claro y concreto su significado físico. La condición de funcionamiento con carga activa nula y excitación nula, mediante la cual se ha definido la reactancia sincrónica, no es una condición de funcionamiento hipotética, por lo contrario es aquella que se acerca y tal vez se alcanza durante la energización de las líneas. No se debe creer que la reactancia sincrónica determine solamente esta condición de funcionamiento: cualquier otro funcionamiento en régimen permanente está igualmente determinado por esta reactancia. Si la excitación en vez de ser nula tiene un valor tal que en vacío le corresponde una f.e.m. inducida E, la corriente de inducido se obtiene dividiendo por la reactancia sincrónica la tensión resultante de la composición vectorial de la f.e.m. E y de latensión en bornes V como indica la figura 18.3

.

Consiguientemente en las expresiones de la potencia máxima, de la potencia en función del ángulo de carga, de la potencia sincronizante y de todas las otras magnitudes correspondientes al régimen permanente, aparece siempre la reactancia sincrónica

Lamentablemente las cosas no siempre son tan simples, en cambio se puede decir que lo dicho se verifica sólo para las máquinas con inductor cilíndrico, y también en este caso sólo con una cierta aproximación.

Para aclarar este punto retornamos un momento al funcionamiento en vacío y con excitación nula de la cual se ha partido para aclarar el concepto de reactancia sincrónica.

El flujo producido por la corriente del estator gira en perfecto sincronismo con el rotor, pero no se ha hecho ninguna hipótesis acerca de la posición relativa entre el eje del flujo y el eje del rotor. Esto es admitido para las máquinas con inductor cilíndrico, como son los turbo alternadores cuyo rotor puede considerarse con buena aproximación magnéticamente isótropo y por lo tanto cada eje es equiparable a cualquier otro. Pero la situación cambia notablemente en el caso de las máquinas de polos salientes. Aquí no se puede hablar de isotropía magnética, ni siquiera en modo aproximado.

Manteniéndose invariable la tensión en bornes, permanece constante el flujo rotante, dado que su valor debe ser tal de producir una f.e.m. igual y opuesta a la tensión impuesta. Pero la corriente que la máquina absorbe de la red para producir tal flujo varía mucho según el recorrido del flujo a través del rotor como muestra la figura 18.4.

Esa corriente alcanza el valor mínimo si el flujo recorre el rotor según el eje directo, siendo este el recorrido de mínima reluctancia; y alcanza el valor máximo si en cambio el rotor está recorrido según el eje en cuadratura como dicho anteriormente, en este caso el rotor presenta al flujo la máxima reluctancia. Consecuentemente en las máquinas sincrónicas de polos salientes se deben considerar necesariamente dos distintas reactancias sincrónicas: la primera, corresponde al mínimo valor de corriente absorbida, se denomina comúnmente reactancia sincrónica directa y se la indica con Xd, puesto que el flujo recorre el rotor según el eje directo; la segunda, corresponde al valor máximo de la corriente absorbida, y se la denomina reactancia sincrónica en cuadratura y se indica con Xq por analogía con la anterior.

DETERMINACION DE LA REACTANCIA SINCRONICA (Xs) Es importante señalar procedimientos para obtenerla experimentalmente. Este procedimiento conta de dos pruebas: corto circuito y circuito abierto.

- Prueba de vacío y pérdidas rotacionales

La máquina sincrónica se conduce a velocidad sincrónica con sus terminales en circuito abierto (sin carga). La excitación se hace cero, de manera que tenemos lo siguiente:

La potencia suministrada a la máquina es la de las pérdidas de fricción y ventilación:

t 1w s = Pfv + Pnoc = PRV ¬ pérdidas rotacionales de vacío Pnoc = 0 fricción y ventilación Luego ponemos excitación a la máquina (If ¹ 0), de esta manera cuantificamos Pfv + Pnoc (pérdidas de núcleo en circuito abierto) = PRV

 

t 2w s = PRV = Pfv + Pnoc No cuantifica pérdidas por dispersión (Ia = 0A).

Se obtendría la siguiente gráfica:

La gráfica anterior tiene como absisa a Eaf para condiciones de circuito abierto. Pero si le ponemos materia gris al asunto vemos que realmente lo que importa en la gráfica es la magnitud del flujo total dentro de la máquina f R, por lo que Eaf se puede sustituir por ER para condiciones de carga. Como conclusión diríamos que las pérdidas dependen de BRP: Con la condición anterior de If ¹ 0: Variamos el valor de If y observamos lo que ocurre con Eaf. Obtendremos la siguiente gráfica.

La línea de entrehierro es la gráfica que obtendríamos si m núcleo = ¥ (caso ideal).

- Prueba de corto circuito.

Para realizar esta prueba, las líneas de voltaje de salida se ponen en cortocircuito y se le colocan amperímetros para cuantificar su corriente.

3.6 Reactancia transitoria Las dos reactancias, sincrónicas directa y en cuadratura, determinan completamente cualquier funcionamiento en régimen permanente de las máquinas de polos salientes y aparecen en todas las expresiones relativas a tal régimen; pero no dicen nada del comportamiento en régimen transitorio, es decir de cómo esas máquinas reaccionan frente a imprevistas variaciones de carga, de la tensión o de la corriente de excitación.

Para examinar este comportamiento conviene proceder por pasos y considerar en primer lugar que sucede con el caso particular del motor asincrónico sincronizado, que es siempre una verdadera y propia máquina sincrónica aún siendo construida como un motor asincrónico. Supongamos el rotor bifásico y una de las dos fases utilizada como arrollamiento de excitación, la otra cerrada en cortocircuito con la función de arrollamiento amortiguador. Podemos considerar esta máquina como sometida a una alimentación estatórica proveniente de la red a la cual está conectada y a una alimentación rotórica por medio de una fuente de corriente continua que alimenta el arrollamiento de excitación. Por la ley de superposición de los efectos podemos, prescindiendo de la saturación, estudiar el comportamiento de la máquina separadamente respecto a cada una de estas dos alimentaciones, ignorando completamente la otra. Ignoramos por lo tanto la alimentación rotórica y supongamos despreciable la impedancia interna de la fuente de corriente continua. Respecto, a la alimentación estatórica la máquina no se diferencia en nada de un común motor asincrónico y por lo tanto esta reactancia de cortocircuito define completamente su comportamiento en régimen transitorio. Esta reactancia, como visto, está dada por la expresión:

en la cual X1, X2, XM son respectivamente las reactancias correspondientes al flujo de dispersión del estator, al flujo de dispersión del rotor y al flujo principal. Puesto que el rotor es magnéticamente y eléctricamente isótropo tal reactancia asume siempre el mismo valor cualquiera sea el eje del rotor a la cual se refiere; es decir el transitorio resulta siempre el mismo cualquiera sea la posición del rotor en el instante en que se lo verifica. Siempre considerando como máquina sincrónica el mismo motor asincrónico sincronizado, supongamos ahora que la segunda fase del rotor en vez de cerrada en cortocircuito esté abierta. El rotor es todavía magnéticamente isótropo, pero eléctricamente no lo es más; en efecto este rotor tiene un arrollamiento monofásico, como todas las máquinas sincrónicas convencionales, y no más un arrollamiento polifásico. La reactancia transitoria coincide por lo tanto con la reactancia decortocircuito sólo si se la refiere al eje rotórico coincidente con el eje de la fase utilizada como arrollamiento de excitación, que por otro lado no es otra cosa que el eje directo; mientras que referida al eje de la segunda fase dejada abierta, en cuadratura con la anterior, coincide obviamente con la reactancia en vacío del motor asincrónico. La misma cosa sucede naturalmente en las máquinas sincrónicas que tienen sólo un arrollamiento de excitación según el eje directo y el circuito magnético del rotor enteramente laminado: la reactancia transitoria según el eje directo coincide con la reactancia de cortocircuito y por la tanto está dada por la misma expresión:

Mientras que según el eje en cuadratura la reactancia transitoria coincide siempre con la reactancia sincrónica, es decir:

4. ESTRUCTURA DE UN ALTERNADOR 4.1 Rotor El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estátor, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general.

El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estátor de una corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate.

En máquinas de corriente alterna de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables,como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.

4.2 Estator El estátor es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos fundamentales para la transmisión de potencia (en el caso de motores eléctricos) o corriente eléctrica (en el caso de los generadores eléctricos), siendo el otro su contraparte móvil, el rotor. El término aplica principalmente a la construcción de máquinas eléctricas y dependiendo de la configuración de la máquina, el estátor puede ser: El alojamiento del circuito magnético del campo en las máquinas de corriente continua. En este caso, el estátor interactúa con la armadura móvil para producir par motor en el eje de la máquina. Su construcción puede ser de imán permanente o de electroimán, en cuyo caso la bobina que lo energiza se denomina devanado de campo. El alojamiento del circuito de armadura en las máquinas de corriente alterna. En este caso, el estátor interactúa con el campo rotante para producir el par motor y su construcción consiste en una estructura hueca con simetría cilíndrica, hecha de láminas de acero magnético apiladas, para así reducir las pérdidas debidas a la histéresis y las corrientes de Foucault. El alojamiento del circuito de armadura en los generadores de corriente alterna (alternadores) o directa (generadores). En este caso, el estátor interactúa con el campo rotante para producir corriente eléctrica. Una parte de la corriente generada puede ser aplicada al circuito del estátor para generar un campo magnético más fuerte y resultando en una mayor corriente generada. Su construcción consta también de una estructura hueca con simetría cilíndrica, hecha de láminas de acero magnético apiladas, para así reducir las pérdidas debidas a la histéresis y las corrientes de Foucault. Las partes principales son: carcasa, escudos, rodamientos (balineras, cojinetes), eje, bornera, entre otros.

4.3 Partes giratorias El alternador se autoexcita por medio del devanado de excitación fijo situado sobre el polo interior. Como la remanencia es lo suficientemente grande, no es necesaria la preexcitación del alternador. El campo de excitación magnetiza los dedos polares, dispuestos alternadamente, del rotor-guia giratorio. El campo magnético giratorio de estos polos induce a su vez una tensión alterna trifasica en el devanado estatorico. El flujo magnético discurre desde el núcleo polar del rotor giratorio a través del polo interior fijo hasta la pieza guía, y luego a través de sus polos hasta el paquete del estator fijo. A través de la mitad de las garras de polos intercalados, de polaridad opuesta se cierra el circuito magnético en el núcleo del

polar del rotor. Al contrario que en el rotor de anillos colectores, el flujo magnético debe superar dos entrehierros adicionales entre la rueda polar giratoria y el polo interior fijo. Normalmente, ademas de la carcasa con el paquete del estator, las chapas de refrigeración con los diodos de potencia y el regulador transistorizado de montaje adosado, pertenecen también a la parte fija de la maquina el polo interior con el devanado de excitación. La parte giratoria consta únicamente del rotor con la rueda polar y su pieza guía. Seis dedos polares de igual polaridad forman respectivamente una corona polar como polos norte y sur Las dos coronas, como mitades por polos en forma de garras, se mantienen juntas mediante un anillo no magnético dispuesto bajo los polos, engarzados entre si.

4.4 Soportes de guía

4.5 Excitación común Es necesario que exista un medio que asegure el reparto de potencia reactiva entre los generadores. Se sabe que el reparto de kW se controla por medio del regulador de velocidad y por lo tanto es independiente de la excitación del generador. Se adopta una compensación de corriente cruzada. La compensación se logra produciendo una ligera caída del voltaje regulado cada vez que se incremente la corriente reactiva.

4.6 Velocidad de respuesta La velocidad de operación depende de la magnitud de la rata de cambio de la fuerza de operación. Con una caída de voltaje súbita, entre 10% y 12%, el tiempo requerido por el regulador para remover toda la resistencia del circuito de campo es aproximadamente 0.05 segundos o 3 ciclos sobre una base de 60

5. REGULACION DE TENSION 5.1 Reguladores Automaticos un regulador es un dispositivo que tiene la función de mantener constante una característica determinada del sistema. Tiene la capacidad de mantener entre un rango determinado una variable de salida independientemente de las condiciones de entrada. Algunos ejemplos de reguladores automáticos son un regulador de tensión (el cual puede mantener constante la tensión de salida en un circuito independientemente de las fluctuaciones que se produzcan en la entrada, siempre y cuando estén dentro de un rango determinado), un regulador de gas, una llave de paso de cualquier fluido (donde se regula el flujo del fluido que sale por ella), un regulador de buceo (que mantiene el aire que respira un buceador constantemente a la presión del agua que le rodea, en función de la profundidad) y un regulador de combustible (que controla el suministro de combustible a un motor). Los reguladores pueden ser diseñados para el control desde gases o fluidos hasta luz o electricidad. El control puede realizarse de forma electrónica, mecánica o electromecánica.

5.2 Regulacion con elementos electrónicos Para conseguir la regulación de tensión, se dispone el diodo Zenner (Dz), que mantiene constante la tensión del emisor de (T1) (punto A), mientras que la tensión de base (punto B), aumenta proporcionalmente a medida que lo hace la tensión en bornes del alternador. Cuando alcanza un valor igual o superior a la del punto (A) (que no puede subir por encima del valor de corte del Zenner Dz), se anula la corriente de base de (T1), bloqueando el circuito emisor-colector de este transistor, con lo cual, cesa la corriente en el terminal de disparo del tiristor (Dc) y, en el momento que la tensión generada en el borne (C) pase por el valor cero, dicho tiristor deja de conducir interrumpiendose la corriente de excitación, hasta tanto llegue una próxima señal al terminal de disparo que le haga conducir de nuevo. Para que exista regulación, es necesario que la tensión entre ánodo y cátodo del tiristor (Dc) sea cero en algún momento de su funcionamiento, ya que de otro modo, el tiristor conduciría continuamente. Este es el motivo por el cual se toma la tensión de ánodo de una fase del alternador (borne C), la cual, aumenta y disminuye periódicamente desde cero hasta un valor máximo, quedando bloqueado el tiristor cuando el valor de la tensión en ánodo es cero, en espera de que una próxima señal en el terminal de disparo le haga conducir de nuevo. El diodo (D) situado en paralelo con la bobina del rotor, evita la sobretension provocada por la ruptura de la corriente de excitación, como consecuencia de la autoinducción de la bobina del rotor. Los demás diodos protegen a los transistores respectivos contra sobretensiones. El dispositivo de compensación térmica de este regulador lo constituye la resistencia variable (termistor) (Tm), cuyo valor ohmico es función de la temperatura, por lo cual, cuando esta aumenta o disminuye, la resistencia de este elemento varia y, en consecuencia, queda modificada la tensión en el punto (B), con lo cual, la regulación se produce en el valor conveniente, corregido en función de la temperatura.

5.3 Excitación y regulación de conmutadores Los reguladores conmutados solucionan los problemas de los dispositivos anteriormente citados, poseen mayor rendimiento de conversión, ya que los transistores funcionan en conmutación, reduciendo así la potencia disipada en estos y el tamaño de los disipadores. Se pueden encontrar este tipo de fuentes en los ordenadores personales, en electrodomésticos, reproductores DVD, etc, una desventaja es la producción de ruido electromagnético producido por la conmutación a frecuencias elevadas, teniendo que apantallar y diseñar correctamente la PCB (Placa de Circuito Impreso) del convertidor.

5.4 Variacion de tensión y refasamiento Antes de definir el refasamiento es necesario saber que es y ver el instrumento de medición, el cosfimetro Instrumento que mide el factor de potencia. El factor de potencia se medía tradicionalmente con un instrumento cuyo principio de funcionamiento es el mismo que el de un vatímetro, sin embargo los modernos vatímetros digitales han desplazado estos instrumentos, de tal manera que en la actualidad muchos fabricantes de instrumentación electrónica han dejado de fabricarlos. Desarrollo. Influencia del tipo de cargas El valor del f.d.p. viene determinado por el tipo de cargas conectadas en una instalación. De acuerdo con su definición, el factor de potencia es adimensional y solamente puede tomar valores entre 0 y 1. En un circuito resistivo puro recorrido por una corriente alterna, la intensidad y la tensión están en fase (f=0), esto es, cambian de polaridad en el mismo instante en cada ciclo, siendo por lo tanto el factor de potencia la unidad. Por otro lado, en un circuito reactivo puro, la intensidad y la tensión están en cuadratura (f=90º) siendo el valor del f.d.p. igual a cero. En realidad los circuitos no pueden ser puramente resistivos ni reactivos, observándose desfases, más o menos significativos, entre las formas de onda de la corriente y el voltaje. Así, si el f.d.p. está cercano a la unidad, se dirá que es un circuito fuertemente resistivo por lo que su f.d.p. es alto, mientras que si está cercano a cero que es fuertemente reactivo y su f.d.p. es bajo. Cuando el circuito sea de carácter inductivo, caso más común, se hablará de un f.d.p. en retraso, mientras que se dice en adelanto cuando lo es de carácter capacitivo. Las cargas inductivas, tales como transformadores, motores de inducción y, en general, cualquier tipo de inductancia (tal como las que acompañan a las lámparas fluorescentes) generan potencia inductiva con la intensidad retrasada respecto a la tensión. Las cargas capacitivas, tales como bancos de condensadores o cables enterrados, generan potencia reactiva con la intensidad adelantada respecto a la tensión. Mejora del factor de potencia A menudo es posible ajustar el factor de potencia de un sistema a un valor muy próximo a la unidad. Esta práctica es conocida como mejora o corrección del factor de potencia y se realiza mediante la conexión a través de conmutadores, en general automáticos, de bancos de

condensadores o de inductores. Por ejemplo, el efecto inductivo de las cargas de motores puede ser corregido localmente mediante la conexión de condensadores. En determinadas ocasiones pueden instalarse motores síncronos con los que se puede inyectar potencia capacitiva o reactiva con tan solo variar la corriente de excitación del motor. Las pérdidas de energía en las líneas de transporte de energía eléctrica aumentan con el incremento de la intensidad. Como se ha comprobado, cuanto más bajo sea el f.d.p. de una carga, se requiere más corriente para conseguir la misma cantidad de energía útil. Por tanto, como ya se ha comentado, las compañías suministradoras de electricidad, para conseguir una mayor eficiencia de su red, requieren que los usuarios, especialmente aquellos que utilizan grandes potencias, mantengan los factores de potencia de sus respectivas cargas dentro de límites especificados, estando sujetos, de lo contrario, a pagos adicionales por energía reactiva. La mejora del factor de potencia debe ser realizada de una forma cuidadosa con objeto de mantenerlo lo más alto posible. Es por ello que en los casos de grandes variaciones en la composición de la carga es preferible que la corrección se realice por medios automáticos. Supongamos una instalación de tipo inductivo cuyas potencias P, Q y S forma el triángulo. Si se desea mejora el cosf a otro mejor cosf', sin variar la potencia activa P, se deberán conectar un banco de condensadores en paralelo a la entrada de la instalación para generar una potencia reactiva Qc de signo contrario al de Q, para así obtener una potencia reactiva final Qf. Analíticamente:

Por un lado

y análogamente

5.5 Limite de estabilidad estatica y dinámica Estabilidad estática. Por estabilidad se entiende la respuesta de un sistema cuando se le mueve de una posición de equilibrio. En nuestro caso, la estabilidad que nos interesa es la capacidad del avión para recobrar una posición de equilibrio después de sufrir una perturbación que la haya modificado (turbulencia, ráfaga de viento, etc.). La estabilidad se clasifica en tres tipos: positiva, neutra y negativa. La figura 1.6.2 representa esta clasificación por medio de tres ruedas de bicicleta en estado de equilibrio.

Estabilidad positiva significa que si un sistema es desplazado de su posición de equilibrio, genera fuerzas tendentes a volver a la posición inicial. Tomemos la rueda de la izquierda en la figura 1.6.2 la cual tiene un contrapeso abajo. Si aplicamos una fuerza que la haga girar en uno u otro sentido esta rueda tratará de volver a su posición inicial. Estabilidad neutra se da cuando un sistema desplazado de su posición de equilibrio no genera ninguna fuerza y permanece equilibrado en esta nueva posición. Si giramos hacia uno u otro lado la rueda del centro de la figura, esta rueda se quedará en equilibrio en la nueva posición en que la dejemos. Estabilidad negativa es cuando un sistema desplazado de su posición de equilibrio genera fuerzas que tienden a desplazarlo aún más. Si movemos algo la rueda de la derecha de la figura, que tiene un contrapeso arriba, esta se irá desplazando cada vez más de la posición de equilibrio inicial.

Estos ejemplos nos muestran además, que la cantidad de fuerza a aplicar para sacar a un objeto de su posición de equilibrio, mantener el equilibrio en otra posición diferente, o recuperar la posición de equilibrio inicial, es muy diferente según el tipo de estabilidad. Volviendo al ejemplo de las ruedas de bicicleta, para sacarlas de su posición de equilibrio habrá que ejercer cierta fuerza en la rueda de la izquierda, menos fuerza en la rueda del medio, y menos todavía en la rueda de la derecha. Para retornarlas a su posición anterior, habrá que ejercer muy poca fuerza en la rueda de la izquierda (pues tratará de volver ella sola), algo más en la rueda del medio, y bastante más en la de la derecha. De acuerdo con lo explicado, un avión será ESTABLEsi separado de su posición de equilibrio tiende a recuperarla; NEUTRO si separado de su posición de equilibrio permanece en esa nueva posición sin alejarse más ni volver a la posición inicial, e INESTABLE si separado de su posición de equilibrio tiende a alejarse de ella cada vez más. Parece obvio que un aeroplano debería tener estabilidad positiva, quizá neutra, pero en ningún caso negativa. En un sistema multidimensional debemos considerar la estabilidad para cada uno de sus ejes por separado. Por ejemplo consideremos un huevo sobre una mesa: un huevo ideal tiene estabilidad neutra respecto a su eje de simetría, es decir que es libre de girar sobre dicho eje. Sin embargo tiene estabilidad positiva respecto de los otros ejes, puesto que si lo tumbamos hacia cualquier lado tenderá a recuperar su posición original. En un avión, que también es un sistema multidimensional, la estabilidad se refiere a cada uno de los tres ejes de movimiento del mismo: longitudinal, lateral y vertical (1.5.1).

Estabilidad dinámica. Sucede que las fuerzas tendentes a recuperar la posición de equilibrio pueden ser tan grandes que fuercen al sistema a ir más allá de la posición inicial. En el ejemplo anterior, al soltar el huevo que habíamos tumbado en la mesa, este irá más allá de su posición de equilibrio inicial oscilando a uno y otro lado, cada vez con menor intensidad, hasta recuperar el equilibrio plenamente. Pues bien, estabilidad dinámica es la propiedad que amortigua estas oscilaciones haciéndolas cada vez menores en intensidad. Un sistema posee estabilidad dinámica si el movimiento del sistema produce una fuerza que se opone a ese movimiento. La rueda central de la figura 1.6.2 apenas tiene estabilidad dinámica, pues si la hacemos girar estará girando bastante tiempo debido a que la única fuerza que se opone a este movimiento es la fricción del aire. También la estabilidad dinámica puede ser positiva, neutra, o negativa; positiva cuando las oscilaciones se amortiguan cada vez más hasta pararlas; neutra cuando no se amortiguan; y negativa cuando se van haciendo cada vez mayores.

La figura 1.6.4 puede servirnos de modelo para diferenciar ambos tipos de estabilidad. El muelle es un ejemplo de estabilidad estática positiva, pues cuando se le estire o comprima, tratará de volver a su posición de equilibrio, eso si oscilando a uno y otro lado hasta encontrarla. El amortiguador, es un ejemplo de estabilidad dinámica positiva. Al comprimirse, el aceite que contiene es obligado a pasar hacia arriba a través de unos pequeños agujeros, suavizando este movimiento. Pero cuando el muelle tienda a recuperar la posición inicial, el aceite en la parte de arriba será forzado a pasar hacia abajo a través de los mismos agujeros, suavizando de nuevo el movimiento y las oscilaciones. En cualquiera de los dos casos, la dificultad del aceite para pasar de uno a otro lado debido a su viscosidad es la fuerza que se opone al movimiento del amortiguador. La estabilidad estática se refiere a las fuerzas que se desarrollan dependiendo de la posición del sistema, mientras que la estabilidad dinámica se refiere a las que se desarrollan en función de la velocidad. En el caso del muelle este reacciona cuando se le saca de su posición, mientras el amortiguador crea una fuerza que es proporcional al movimiento del aceite. Cuando un sistema tiene estabilidad estática positiva pero no suficiente estabilidad dinámica (amortiguación) surgen las oscilaciones. Una mala interpretación de la estabilidad, hace que al hablar de estabilidad refiriéndose a un avión se piense en este volando recto y nivelado. Realmente la estabilidad se refiere a cualquier posición de equilibrio: aparcado, en vuelo recto y nivelado a velocidad constante, en descenso o ascenso a velocidad constante, etc...

5.6 Sincronizacion de alternadores Sincronización de los generadores Este punto es el de mayor importancia cuanto se trata de generadores en paralelo, es por eso que se antes de poner en funcionamiento los dos o más generadores debemos hacer algunas pruebas para asegurarnos de su correcta sincronía 4.3.1 El método de las "lámparas de fase apagadas"

Fig. 5 Sincronización: Lámparas apagadas Este método consiste en conectar las lámparas entre UU', VV", WW" la diferencia de potencial entre lámparas, nos indica si se cumplen las condiciones es decir cuando las lámparas están apagadas se verifican las condiciones

Fig.6 Diferencia de potencial en las lámparas.

El método de las "luces rotantes o encendidas"

Fig. 7 Sincronización: Lámparas encendidas Las diferencias de potencial entre lámparas varían en módulo si las velocidades de rotación son diferentes. Cuando están en sincronismo la lámpara UU' está apagada y las otras dos brillan igualmente, de no ocurrir esto se ve el encendido alternativamente en un sentido u otro como si girasen, indicando que la máquina va más lenta o más rápida. Una vez cumplida las condiciones se puede decir que las maquinas están es sincronía.

Fig. 8 Diferencia de potencial A continuación se indica un esquema con todas estas características juntas En la grafica se puede ver un voltímetro llamado voltímetro cero, se lo coloca como se indica en el esquema entre la misma fase y recibe su nombre debido a que cuando indica un valor de cero voltios el generador esta en sincronía

Fig.9 Instrimentos para la puesta en paralelo del generador. Uso de un Sincronoscopio Un sincronoscopio como es de suponer es un instrumento que nos indica la sincronía de los generadores, mide la diferencia en los ángulos de fase de cualquier fase entre los dos sistemas.

Fig.10 Sincronoscopio de luces encendidad. Entre los principales están los de aguja y los electrónicos

Fig.11 Sincronoscopio de aguja. Puesta a carga En un alternador una vez que tiene las rpm deseadas lo que conlleva a la frecuencia de red y la tensión ajustada a la de servicio, al aplicársele carga existirá una caída de tensión que deberá

ser compensada con una mayor excitación y mantener la tensión de operación de forma automática o de forma manual, de la misma forma al asumir carga (Kw) la maquina motriz necesitara compensar la caída de velocidad del mismo modo de la tensión De la misma forma un alternador que pierde carga tendrá que hacer ajustes de velocidad y de voltaje, de no haces esto podríamos provocar grandes daños a la maquina, como un embalamiento y todos los problemas que acarrea dicha situación. La carga en un alternador implica ajuste de voltaje y ajuste de velocidad. En caso de alternadores en paralelo, una vez trabajando sincronizadamente el ajuste de tensión será controlada por un compensador en cuadratura, que irá a mantener el FP (factor de potencia) lo cual implica un cuidado especial del mismo modo las cargas entre los alternadores será controlada por el torque de la maquina al ser ajustado el control de velocidad A continuación se explican más detalladamente algunos casos que pueden suceder en la puesta a carga de los generadores: Se considera el caso de una máquina, conectada a barras sobre las cuales existen ya trabajando otras máquinas, tales que sus potencias son muy superiores a la primera, de manera que ésta no puede alterar la tensión de barras, por esto se considera u = cte. y se dice sobre barras infinitas. Caso1: Máquina en vacío: será I = 0, d = 0, E0 = U porque el estar en vacío es su fem la que coincide con la tensión de barras.

Fig. 12 Maquina en vacio. Caso2: Se le aumenta la velocidad de la máquina motriz conectada al alternador. Como d es una medida de la potencia desarrollada, el incremento de la velocidad resultará en un avance de E0 sobre u en un ángulo d. Con esto fluirá una I perpendicular a j.Xd. I en conclusión se entrega corriente a la red

Fig. 13 Aumento de la maquina motriz.

Caso 3: Se varía solamente la excitación. Sobreexcitado: corriente en retraso de p /2 Subexcitado: corriente en adelanto de p/2 Y en conclusión se produce corriente reactiva pura

Fig. 14 Variación de la excitación. Caso 4: Se aumenta la velocidad y la excitación. Como la diferencia E01 - U es mayor, la I será mayor y en conclusión a este caso mejoramos o variamos el cosF según la necesidad o norma presente

Fig. 15 Aumento de velocidad y excitacion. Esquema alternador síncrono real A continuación se indican algunos esquemas reales de generadores en paralelo en el mismo se indican todos los instrumentos y cuidados que se deben colorar, además se pueden ver las múltiples protecciones para el cuidado del equipo.

Fig. 16 Esquema real del alternador en paralelo. También se muestra a continuación un panel que tienen acoplando todos los instrumentos necesarios para la puesta en paralelo

6. BIBLIOGRAFIA .Maquinas Electricas --- Stephen J. Chapman .Maquinas Eléctricas --- Fraile Mora http://www.ramonrusso.com.ar/documentos/NotaTecnicaAVR.pdf .https://books.google.com.pe/books?id=5hJzpimPyXQC&pg=PA213&lpg=PA213&dq=si ncronizacion+de+alternadores&source=bl&ots=VyP2AJHdCZ&sig=kdGYwWpPNSQzsnt BrrcbH-Wo3ww&hl=es419&sa=X&ved=0CC8Q6AEwA2oVChMIm46Tg7G_yAIVhw6QCh0GfAL6#v=onepage&q =sincronizacion%20de%20alternadores&f=false .http://www.todoexpertos.com/categorias/ciencias-e-ingenieria/ingenieriaelectrica/respuestas/77061/sincronizacion-de-generadores . https://stmeu.wordpress.com/2009/05/18/los-avr-reguladores-automaticos-detensin/ .https://docs.google.com/document/d/1TUvsDeu1NN_k0CjUHDsABwnK2kBgdxhKxu6p 5tQ0I54/edit https://es.wikipedia.org/wiki/Tuber%C3%ADa_forzada